SLM3D打印的金屬粉末的有限元分析ppt課件

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,動力機械強度與振動,選擇性激光熔化3D打印的金屬粉末的 有限元分析,1,,動力機械強度與振動,一、選擇性激光熔化打印機的介紹 二、翹曲形變的基本原理 三、物理模型的建立 四、ANSYS模擬結果 五、實驗效果,2,,動力機械強度與振動,一、選擇性激光熔化打印機的介紹,選擇性激光熔化技術（Selective laser melting tech.）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化、經冷卻凝固而成型的一種技術。 右圖為最新發(fā)布的EP-M250工業(yè)級金屬粉末材料3D打印機，在無需刀具和模具條件下成形出任意復雜結構和接近100%致密度的金屬零件。,3,,動力機械強度與振動,,工作原理,4,,動力機械強度與振動,,二、翹曲形變的基本原理,在激光選區(qū)熔化快速成型工藝中，極細小的激光光斑照射在粉末上，使粉末熔化并凝固成實體，由于快熱快冷的成型特點，在材料內形成高達108K/s的溫度梯度，從而形成較大的熱應力，并且高溫使得材料的屈服強度降低，當應力大于材料的屈服極限時，材料就會發(fā)生翹曲變形，使得零件與基板、零件與支撐結構或者層與層之間發(fā)生開裂，導致成型失敗。,5,,動力機械強度與振動,三、物理模型的建立,1.數學假設 （1）粉末顆粒的熱物性參數隨溫度而變化； （2）316不銹鋼粉末組成的粉床看作是均勻且連續(xù)的，固體顆粒呈球形且大小相同，相互之間無接觸變形； （3）激光束呈高斯分布且以圓形的熱流形式輻照在粉床表面上； （4）不考慮 SLM 成形腔內保護氣體對粉床致密度和比熱容的影響； （5）不考慮金屬液相流動對溫度分布的影響；,6,,動力機械強度與振動,2.模擬流程,7,,動力機械強度與振動,3.單元選擇及網格劃分 45號鋼的金屬基板尺寸為2.4mm×1mm×0.4mm，激光掃描加工的316不銹鋼粉末零件為1.75mm×0.77mm×0.1mm，處于基板的中央位置，該模型共有五條掃描道，每一層均沿Y軸作光柵單向往復式掃描，分析過程中采用SOLID70作為熱分析單元，在加工零件上劃分的每個網格單元的尺寸為 0.025mm×0.025mm×0.025mm。,8,,動力機械強度與振動,4.熱源模型 由于EP-M250金屬打印機采用的激光器為單模光纖激光器，其激光能量分布符合高斯分布，因此建立了高斯熱源模型： q= 2???? ?? ?? 0 2 exp?(? 2 ?? 2 ?? 0 2 ) 式中，P表示激光功率，A 表示粉體材料對激光的吸收率，316不銹鋼對激光的吸收率大約為11%。r0為光斑半徑，本臺金屬打印機的光斑直徑為0.06mm。r為粉床上的任一點到激光光斑中心的距離。,9,,動力機械強度與振動,5.初始條件與邊界條件 在選區(qū)激光熔融模擬過程中，將激光束的輻射簡化為移動熱源對粉床表面的熱流密度的輸入，屬于第二類邊界條件。粉床表面與周圍流體介質之間存在熱對流和熱輻射，因此模擬計算時又同時存在第三類邊界條件和第四類邊界條件，可以用下式進行表示： 初始條件：T0=323K,,10,,動力機械強度與振動,,6.相變潛熱的處理 SLM過程是一個材料受熱、熔化、凝固的過程，其間包含著相變潛熱的吸收和釋放。相變潛熱是指物質由一個相變化到另一個相吸收或放出的熱量。在ANSYS的計算中，一般采用熱焓法進行計算，即通過定義材料隨溫度變化的焓來考慮相變潛熱，其公式為： 式中，H 為熱焓，ρ為密度，c為材料的比熱容，T為溫度。,,11,,動力機械強度與振動,,7.熱傳導方程的建立 SLM成形過程中溫度場的分析屬于典形的非線性瞬態(tài)傳熱問題。該過程粉末的熱量傳遞可以采用傅里葉熱傳導定律的經典三維熱傳導偏微分方程(Fourier方程)來求解。由于材料會發(fā)生一系列的變化(粉態(tài)—液態(tài)—固態(tài))，所以存在著相變潛熱的影響。把相變潛熱作為內熱源Q，則方程表達式為：,,12,,動力機械強度與振動,總方程：1.熱傳導方程方程： 2.初始條件：T0=323K 3.邊界條件：,13,,動力機械強度與振動,8.材料參數 在溫度場的模擬計算中，主要考慮材料的熱物性參數如：熔點、密度、比熱容和熱導率等。在該模擬中，基板材料為45號鋼，加工的粉體材料為316不銹鋼粉末。,14,,動力機械強度與振動,,15,,動力機械強度與振動,四、ANSYS模擬結果,設定激光光斑半徑r=0.06mm，設定激光的掃描速度為v=100mm/s，激光的功率P選取為150W、200W、250W、300W。圖為 SLM 成形過程中第三條掃描道中心點（點 2）的溫度場分布情況。,16,,動力機械強度與振動,P=150W,P=200W,P=250W,P=300W,17,,動力機械強度與振動,1.在SLM的加工過程中，只有當具有穩(wěn)定幾何特征的熔池形成時，才能得到綜合力學性能良好的成形件。因此，為了使相鄰層之間牢固粘結，熔池的深度需在合理范圍內略大于單層粉層的厚度。 2.當激光功率過高時，粉末吸收了大量的激光能量，熱量累積嚴重，導致成形件的顯微組織粗化現象嚴重，綜合力學性能下降。同時，熔池由于溫度過高而生成過多的液相，熔池存在時間也明顯延長，這將導致熔池內部粘度顯著降低，熔池在毛細張力的作用下極易產生飛濺，加劇了“球化效應”等缺陷。,18,,動力機械強度與振動,五、實驗效果,無基板狀況下，對316不銹鋼粉末掃描兩層，在成型缸內觀察打印出來的兩層的不銹鋼長條末端已經斷裂。在取出的過程中，零件則完全碎裂。,19,,動力機械強度與振動,,通過計算得出：對于316不銹鋼粉末來說，在300W激光功率和100mm/s的掃描速度下，零件的翹曲度為0.12。,20,,動力機械強度與振動,,謝謝大家,21,