夹层板结构多孔砂型的激光3D打印工艺研究

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在覆膜宝珠砂多孔结构的激光3D打印过程中,受激光热效应和材料烧结特性的影响,常伴随次级烧结等现象,导致多孔结构成形精度的损失,甚至对孔隙产生根本性破坏。本文针对覆膜宝珠砂多孔结构成形精度进行了相关研究,主要研究内容与结论如下:(1)针对基于常用几何单元体、三周期极小曲面和晶格点阵等的三类多孔结构,分别使用不同商业化软件对其三维几何模型的建模方法进行了研究,并创建了多种类型的夹层板多孔结构。(2)使用ANSYS软件对覆膜宝珠砂烧结过程中的温度场进行数值模拟分析,结合单线条烧结实验对仿真模型进行修正,当修正系数l为1.64、m为0.54时,可控制模拟值与实际值的偏差在5%范围内。激光功率影响单位区域粉床的升温速度,扫描速度影响单位区域粉床的升温时间,随着激光功率的增加和扫描速度的减小,烧结线的温度和各方向尺寸均增大。随着扫描间距由1.0 mm增至1.8 mm,最高烧结温度逐渐降低,烧结深度逐渐减小,温度场轮廓形状由外凸圆状到平直状,再到波浪状。不同的扫描路径中,Concentric路径下烧结外轮廓形貌最好,内部温度场分布较均匀,Lines路径填充时温度梯度最小且最稳定。在相同工艺参数和相同孔隙率的情况下,单个非圆形孔隙越小,分布越多时,次级烧结区域也就越多,使实际成形孔隙率降低。(3)在单线条烧结正交试验中,工艺参数对烧结线宽按影响程度从大到小依次为:砂面温度、激光功率、扫描速度、光斑直径。在多孔结构成形过程中,砂面温度受热积累作用而逐层升高,不同高度处成形尺寸会因此产生差异,工艺参数对砂面温度按影响程度从大到小依次为:层间冷却时间、层厚、扫描速度、激光功率、扫描间距;结构的不同对制件尺寸精度也会有所影响,3种多孔结构的成形尺寸排序为:G曲面结构<蜂窝结构<W点阵结构,孔隙越小,分布越密集,更容易引起次级烧结现象,工艺参数中层间冷却时间对蜂窝结构和W点阵结构的尺寸精度影响最大,激光功率对G曲面结构的尺寸精度影响最大。蜂窝结构的优化工艺为激光功率420 W、扫描速度3200 mm/s、扫描间距1.1 mm、层厚0.25 mm、层间冷却时间15 s,标准误差为0.19 mm;G曲面结构的优化工艺为激光功率380 W、扫描速度2600 mm/s、扫描间距1.3 mm、层厚0.2 mm、层间冷却时间10 s,标准误差为0.15 mm;W点阵结构的优化工艺为激光功率300 W、扫描速度3000 mm/s、扫描间距1.1 mm、层厚0.35 mm、层间冷却时间20 s,标准误差为0.17 mm。
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