基于离散元方法的金属粉末铺粉动力学研究

发布时间：2021-11-21 14:11

　　增材制造技术在航空航天、医疗技术及运输和能源中的应用得到快速增长,其常用方式之一是基于粉末加工。该技术主要瓶颈之一往往与铺粉过程形成的粉层质量有关,颗粒动力学机制尚不清楚,且受铺粉装置的类型和颗粒的黏附性影响很大。本工作基于实验测量和表征的单个颗粒的真实物理和力学参数,采用离散元方法对增材制造常用气雾化金属粉末的铺粉过程进行了数值模拟分析,比较了刮刀和辊子两种铺粉装置中粉堆内颗粒速度和轨迹及最终铺粉层的质量,并分析了这些参数对颗粒黏附表面能的敏感程度。结果表明,相比于刮刀铺粉,在辊子铺粉过程中,由于辊子旋转运动的作用,粉堆内部存在多条拱形速度带和颗粒对流,且在形成铺粉层之前,颗粒需要经历爬坡上升和下坡滑落两个过程,运动轨迹更长。另外,两种铺粉装置中铺粉层颗粒总体积均随颗粒表面能的增加而降低,但与刮刀铺粉相比,辊子铺粉中铺粉层颗粒总体积小,且对颗粒表面能更加敏感。铺粉装置类型和颗粒黏附性对铺粉层质量的影响可以归因为铺粉层的形成机制,即颗粒从粉堆中进入铺粉间隙的难易程度及铺粉间隙中刮刀或辊子对颗粒的拖曳作用。 

【文章来源】：过程工程学报. 2020,20(11)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

法向接触力Fn在加载阶段(a)和卸载阶段(b)随法向重叠量α的变化

将颗粒尺寸划分为4种尺寸带，即15～25,25～35,35～45和45～55μm。对于每种尺寸带，随机选取几个颗粒，并采用球元拼接的方式对其形状进行重构，共24种颗粒形状，如图2所示。每种颗粒形状的概率分布满足总的颗粒尺寸分布(基于颗粒数量)，即15～25,25～35和35～45μm三种尺寸中的19种颗粒的概率均为5%，而45～55μm中5种颗粒的概率均为1%。由于铺粉间隙小，铺粉动力学行为受大颗粒影响大，故采用D90作为基本尺度。为了降低模拟时间，在模拟过程中，将杨氏模量缩小为实验值的1/100，即Esim=2.1 GPa，而表面能则基于H?rvig等[30]和Washino等[31]的理论[即式(5)，保证颗粒黏附功不变]进行成比例降低，即Гsim=1.4 m J/m2，以保证颗粒的动力学特性保持不变。

为了研究不同铺粉装置对铺粉过程的影响，本工作还模拟了刮刀铺粉过程，即将图3中辊子更换成刮刀，并采用相同的线速度U=0.08 m/s和铺粉间隙δ=2D90。同时，为了揭示不同铺粉装置对颗粒黏附性的敏感程度，本工作还采用了一种虚拟颗粒，即将表1中的颗粒表面能增加到8倍：Г*=72 m J/m2或Г*sim=11.2 m J/m2。为减小刮刀或辊子初始时刻对粉堆的冲击作用对结果的影响，下文均对最后6 mm铺粉过程进行分析。3 结果与讨论

【参考文献】：
期刊论文
[1]尼龙粉末在SLS预热温度下的离散元模型参数确定及其流动特性分析[J]. 谭援强,肖湘武,张江涛,姜胜强.  力学学报. 2019(01)

硕士论文
[1]钛合金粉末的流动性及激光选区熔化成型研究[D]. 王昌镇.山东建筑大学 2017
[2]尼龙粉末选择性激光烧结铺粉工艺数值模拟研究[D]. 郑军辉.湘潭大学 2016



本文编号：3509659