悬垂结构和多孔结构的选择性激光熔化成型研究

发布时间：2017-08-29 09:34

  本文关键词：悬垂结构和多孔结构的选择性激光熔化成型研究

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【摘要】：选择性激光熔化技术(SLM)是一种能够直接成型任意复杂形状金属零件的新型激光快速制造技术。但由于SLM成型过程中激光作用于局部小范围内,加上复杂成型件结构的不同,造成局部能量过多或不足而产生相应的缺陷。因此本文建立了选择性激光熔化316L粉末的温度场有限元模型,系统研究能量对悬垂结构和多孔结构SLM成型的影响,并通过调整工艺参数等手段控制单位体积内能量的输入与输出,对悬垂结构成型优化和可控多孔结构的设计与成型做了探讨。本文选择316L不锈钢粉末作为SLM成型悬垂结构和可控多孔结构的研究对象,内容主要有以下几个方面:1、建立了选择性激光熔化316L不锈钢粉末的温度场有限元模型。区分了材料在不同状态下的热物性参数,考虑了材料熔化和凝固过程中潜热的吸收和释放。利用建立的模型进行了单点、单道扫描的模拟,探讨了潜热在SLM成型过程中的作用,分析了激光功率、曝光时间和扫描点间距对单熔道成型的影响。最后进行相应的单熔道扫描实验,结果表明所建立的温度场模型与实际情况基本吻合,具有一定的参考价值。2、悬垂结构SLM成型工艺的研究。悬垂结构成型过程中容易出现挂渣和过烧现象,本文研究了倾斜角度对悬垂结构SLM成型的影响,并从能量输入输出的角度通过控制局部参数的方法消除挂渣、过烧等缺陷,采用重熔的方法获得致密的悬垂结构。3、对SLM成型多孔结构做了研究,提出了一种基于SLM的可控多孔结构。分析了可控多孔结构的可成型性,并采用优化的扫描方式和工艺参数成型多孔结构制件。提出了复杂曲面多孔结构的设计方法,成功成型了复杂曲面多孔结构制件。4、利用多孔结构辅助成型悬垂结构。结合现有支撑的优点,设计了可控多孔支撑结构,提出了复杂悬垂曲面的成型方法,利用可控多孔支撑结构成型倾斜角度大的悬垂结构和悬垂曲面。
【关键词】：选择性激光熔化 悬垂结构 可控多孔结构 316L不锈钢 工艺参数
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG665
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 选题背景和意义11-13
• 1.2 选择性激光熔化技术研究现状13-16
• 1.2.1 选择性激光熔化技术主要研究方向13
• 1.2.2 SLM成型悬垂结构和多孔结构的缺陷13-16
• 1.2.3 缺陷形成的原因分析16
• 1.3 选择性激光熔化关键问题及方法的研究现状16-19
• 1.3.1 SLM成型过程有限元研究现状16-17
• 1.3.2 SLM成型悬垂结构的研究现状17-18
• 1.3.3 SLM成型多孔结构的研究现状18-19
• 1.4 研究的目的、意义和研究内容19-21
• 第2章 SLM成型特性原理分析21-27
• 2.1 引言21
• 2.2 选择性激光熔化成型悬垂结构和多孔结构影响因素21-22
• 2.2.1 能量对悬垂结构和多孔结构成型质量的影响21-22
• 2.2.2 成型方法对悬垂结构和多孔结构成型质量的影响22
• 2.3 SLM成型热过程原理分析22-25
• 2.3.1 金属粉末材料对激光能量的吸收22-23
• 2.3.2 选择性激光熔化热过程的特点23-24
• 2.3.3 选择性激光熔化热过程分析24-25
• 2.4 SLM成型悬垂结构和多孔结构的研究方向25-26
• 2.4.1 悬垂结构成型研究方向25
• 2.4.2 多孔结构成型研究方向25-26
• 2.5 本章小结26-27
• 第3章 选择性激光熔化成型过程有限元仿真27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 选择性激光熔化温度场的三维有限元模型27-32
• 3.2.1 选择性激光熔化温度场基本理论27
• 3.2.2 模型描述及模型假设27-28
• 3.2.3 移动激光热源的模拟28-29
• 3.2.4 初始条件和边界条件的处理29
• 3.2.5 材料热物性参数的处理29-31
• 3.2.6 熔化区域的确定31-32
• 3.3 ABAQUS温度场仿真关键问题的处理32-33
• 3.4 有限元仿真模拟研究结果33-39
• 3.4.1 潜热对单点扫描成型的作用33-35
• 3.4.2 区分粉末和实体的单熔道对比35-36
• 3.4.3 功率对单熔道的影响36-37
• 3.4.4 曝光时间对单熔道的影响37-38
• 3.4.5 扫描点间距对单熔道的影响38-39
• 3.5 本章小结39-41
• 第4章 SLM成型单道和悬垂结构的研究41-59
• 4.1 实验设备及材料41-43
• 4.1.1 实验设备41-42
• 4.1.2 实验材料42-43
• 4.2 单道扫描成型实验43-49
• 4.2.1 单道扫描成型原理及研究内容43-44
• 4.2.2 单道扫描实验研究44-49
• 4.3 成型悬垂结构的研究49-53
• 4.3.1 SLM成型悬垂结构的理论分析49-50
• 4.3.2 倾斜角度与能量输入对悬垂结构的影响50-53
• 4.4 倾斜圆柱的可成型性研究53-56
• 4.4.1 层间重叠长度和悬垂长度53-54
• 4.4.2 支柱的可成型性分析及实验验证54-56
• 4.5 SLM成型悬垂结构控制能量方法的研究56-58
• 4.5.1 局部参数控制56-58
• 4.5.2 重熔的影响58
• 4.6 本章小结58-59
• 第5章 可控多孔结构的设计与SLM成型59-77
• 5.1 引言59
• 5.2 可控多孔结构的设计需求59-60
• 5.3 可控多孔结构的设计60-64
• 5.3.1 可控多孔结构的形状确定60-61
• 5.3.2 单元体高度的确定61-63
• 5.3.3 多孔结构的孔隙率63-64
• 5.4 基于SLM的可控多孔结构设计一般原则64-68
• 5.4.1 SLM技术的原理约束64-67
• 5.4.2 通过轮廓补偿控制成型质量67-68
• 5.5 SLM成型可控多孔结构68-71
• 5.5.1 可控多孔结构单元的成型68-69
• 5.5.2 可控多孔结构整体成型69-71
• 5.6 平面多孔结构的SLM成型71
• 5.7 复杂曲面多孔结构的设计与SLM成型71-75
• 5.7.1 复杂曲面多孔结构的应用需求71-72
• 5.7.2 复杂曲面多孔结构的设计72-74
• 5.7.3 复杂曲面多孔结构的SLM直接成型74-75
• 5.8 本章小结75-77
• 第6章 多孔结构辅助成型悬垂结构77-89
• 6.1 悬垂结构的成型问题77-79
• 6.1.1 悬垂结构成型问题及解决方法77
• 6.1.2 现有支撑结构的分析77-79
• 6.2 可控多孔支撑结构单元体设计79-81
• 6.3 任意复杂悬垂结构的可控多孔支撑设计81-83
• 6.4 可控多孔支撑结构成型优化83-85
• 6.4.1 扫描方式的优化83-84
• 6.4.2 可控多孔支撑结构成型84-85
• 6.5 可控多孔支撑结构辅助成型悬垂结构85-87
• 6.5.1 可控多孔支撑结构成型悬面85-86
• 6.5.2 可控多孔支撑结构成型复杂悬垂曲面86-87
• 6.6 可控多孔支撑结构优化及效果87-88
• 6.7 本章小结88-89
• 第7章 总结与展望89-91
• 7.1 总结89
• 7.2 创新点89-90
• 7.3 展望90-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-97
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果97

【参考文献】

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本文编号：752581