电子束3D打印铺粉系统及不锈钢粉末成形工艺研究

发布时间：2017-10-08 07:27

  本文关键词：电子束3D打印铺粉系统及不锈钢粉末成形工艺研究

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【摘要】：本文研究的是金属粉末电子束3D打印铺粉系统与粉末成形工艺,在生物医学、航空航天等领域具有很良好的应用前景。按照电子束3D打印技术参数要求,对电子束3D打印铺粉系统的机械结构以及嵌入式控制系统的设计,完成整个铺粉系统。整个系统机械结构主体分为四个部分：工作台支架、升降台、供粉箱与回收箱、行走机构；嵌入式系统包括软件与硬件系统。对升降台升降的精度、供粉箱的出粉速度以及行走机构铺粉均匀性进行了相应的验证试验。通过试验进行验证升降台下降精度为+0.002mm/0.5mm;通过试验测算供粉箱出粉速度V为39.0625-5000mm3/s,可以满足供粉需求。试验验证发现,当铺一层0.5mm厚的粉末,供粉箱出粉速度V、行走机构运行速度v,之比S在120时,在粉末压实后,粉末均匀性非常好。通过对升降台升降、供粉箱出粉以及行走机构铺粉均匀性进行调试与优化,为不锈钢粉末成形工艺提供粉末铺设平台。分析了真空条件下电子束“吹粉”现象的机理,并通过对比电阻丝、电子束偏转扫描两种加热方式对粉末溃散的影响,探究出电阻丝与电子束偏转扫描复合预热为解决“吹粉”问题的最优方案。试验结果表明使用电阻丝加热与电子束偏转扫描相结合的复合预热系统预热时间25min能够使吹粉率低于10%,预热时间比单个加热源少44.4%。复合预热系统加热粉末30min能够有效地解决“吹粉”问题。电子束3D打印粉末熔化成形的工艺参数对316L不锈钢粉末成形试样的表面形貌有直接影响,在加速电压队扫描间距L等工艺参数恒定情况下,相同的电子束束流I与扫描频率F的比值I/F得到的成形件上表面形貌基本相似并且得到的成形试样上表面粗糙度相差不大。随着I/F值升高,成形试样上的表面形貌由网状逐渐过渡至沟壑状,成形试样上表面粗糙度升高。层间粉末成形需要使用复合预热系统至少预热40s,才能保证粉末成形率在90%以上。随着粉末逐层堆积成形,再加上热输入累积,层数高的对层数低的成形层起着回火或者退火的作用,使相应成形层硬度略微有些下降。电子束3D打印获得的试样组织致密、晶粒细小,其致密度达98.12%。比较首层铺粉熔化成形、多层粉末熔化成形这两种工艺,可以发现在多层粉末熔化成形时,低熔点的锰(Mn)元素质量分数下降的较为明显些,其他的元素质量分数没有明显变化。
【关键词】：3D打印 电子束 铺粉系统 不锈钢 “吹粉”问题 表面形貌
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB44;TG142.71
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 选题的科学意义和应用前景11-12
• 1.2 电子束3D打印国内外研究现状12-15
• 1.2.1 电子束3D打印国外研究现状13
• 1.2.2 电子束3D打印国内研究现状13-14
• 1.2.3 电子束3D打印最新发展趋势与应用14-15
• 1.3 不锈钢粉末3D打印的研究现状15-17
• 1.3.1 不锈钢粉末的特性16
• 1.3.2 不锈钢粉末3D打印技术的研究现状16-17
• 1.4 主要研究内容17-19
• 2 电子束3D打印铺粉系统方案可行性分析19-24
• 2.1 电子束3D打印铺粉系统总体设计思路及工序设计19-20
• 2.1.1 电子束3D打印铺粉系统方案概述19
• 2.1.2 机械系统设计思路19-20
• 2.1.3 嵌入式控制系统设计思路20
• 2.2 电子束3D打印铺粉系统工序设计20-21
• 2.3 电子束3D打印铺粉系统设计环境及技术参数21-23
• 2.3.1 电子束3D打印铺粉系统设计环境21-22
• 2.3.2 电子束3D打印铺粉系统技术参数22-23
• 2.4 电子束3D打印铺粉系统的可行性分析23
• 2.4.1 高效性23
• 2.4.2 可靠性23
• 2.4.3 适应性23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 电子束3D打印铺粉系统设计与研制24-58
• 3.1 机械系统设计与研制24-39
• 3.1.1 机械结构设计的开发环境与其优势25-26
• 3.1.2 机械结构设计与研制26-33
• 3.1.3 伺服电机、步进电机的选型33-36
• 3.1.4 滚珠丝杠、联轴器的选型36-38
• 3.1.5 机械结构实物图38-39
• 3.2 嵌入式控制系统设计与研制39-51
• 3.2.1 嵌入式控制系统技术参数39-40
• 3.2.2 嵌入式控制系统的微处理器选型40-41
• 3.2.3 嵌入式控制系统的硬件设计与研制41-44
• 3.2.4 嵌入式控制系统的软件编程设计44-51
• 3.3 电子束3D打印铺粉系统的工作流程51-53
• 3.4 电子束3D打印铺粉系统整体调试与优化53-57
• 3.4.1 升降台升降调试与优化53-54
• 3.4.2 供粉箱出粉速度调试与优化54
• 3.4.3 行走机构铺粉均匀性调试与优化54-56
• 3.4.4 铺粉系统一层铺粉时间56-57
• 3.5 本章小结57-58
• 4 电子束3D打印不锈钢粉末成形工艺研究58-74
• 4.1 试验材料、设备58-60
• 4.1.1 试验材料58
• 4.1.2 试验设备58-60
• 4.2 “吹粉”问题的解决方案60-69
• 4.2.1 真空条件下电子束吹粉机理分析60-61
• 4.2.2 电阻丝加热方法61-65
• 4.2.3 电子束偏转扫描系统预热方法65-67
• 4.2.4 电阻丝预热(CF1)、电子束偏转扫描预热(CF2)不同时间吹粉率的对比67
• 4.2.5 “吹粉”问题最优解决方案67-69
• 4.3 试验方法及工艺参数69-73
• 4.3.1 试验方法69-70
• 4.3.2 电子束3D打印铺粉系统工艺验证试验70-72
• 4.3.3 验证工艺试验检测方法72-73
• 4.4 本章小结73-74
• 5 工艺参数对成形试样特征与性能的影响74-82
• 5.1 成形试样特征的检测及分析74-77
• 5.1.1 I/F值对首层铺粉成形试样上表面形貌、表面粗糙度的影响74-76
• 5.1.2 扫描频率不变时层间预热时间T、束流I对多层粉末成形试样层间成形的影响76-77
• 5.2 成形试样硬度测试及分析77-79
• 5.3 成形试样致密度测试及分析79-80
• 5.4 成形试样元素成分测试及分析80-81
• 5.5 本章小结81-82
• 6 结论与展望82-84
• 6.1 结论82-83
• 6.2 展望83-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-89
• 附录89

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本文编号：992736