选区激光熔化温度场仿真及温度调控研究

在选区激光熔化(SLM)加工过程中，温度对工件的成形质量具有决定性的作用，而温度取决于加工工艺。因此，针对铜合金加工的温度问题，建立了铜合金温度场三维有限元仿真模型，研究了不同工艺参数对温度场温度的影响，为铜合金加工的工艺调控提供理论基础。基于温度场仿真模型，本文分别研究了激光功率、扫描速度、扫描间距、粉末层厚对温度场的影响，研究表明：熔池的温度随着激光功率的增加而增加，随着扫描速度的增加而减小，扫描间距和扫描层厚对温度场的温度会有一定的影响，但是影响非常小。     

激光参数对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响

为了在金属3D打印产品中获得合适的加工参数,提高金属成形件的产品性能,利用有限元方法对Ti-6Al-4V粉末激光选区熔化（SLM）成形进行模拟。以APDL编程语言建模,逐步施加热源获得成形件的温度场,通过熔池演变研究了Ti-6Al-4V粉末SLM成形过程中材料接合情况;以温度场为载荷研究了SLM成形的应力场和位移场。结果表明：激光扫描速度保持恒定,激光功率增大,熔池的长度、宽度、深度均增大;激光功率保持恒定,扫描速度增大,熔池的长度变大,宽度和深度变小。最后获得了一组能够较好地满足成形需求,成形件不易产生翘曲和开裂的激光参数。     

选区激光熔化制备Hastelloy-X合金的有限元模拟及其高温蠕变性能

基于选区激光熔化(SLM)成型原理,利用体生热率法模拟热源模型,采用ANSYS参数化设计语言实现激光热源的移动加载,通过有限元模型模拟了Hastelloy-X合金在SLM成型过程中单层瞬态温度场和熔池的形貌,并对模拟结果进行了试验验证;研究了SLM成型试样的高温蠕变性能,并与固溶态Hastelloy-X合金热轧棒材的进行对比。结果表明:体生热率法能够较好地模拟SLM成型过程中的单层瞬态温度场,计算得到的熔池尺寸和一次枝晶间距与试验结果吻合较好;在相同蠕变试验条件下,SLM成型试样的稳态蠕变速率远低于固溶态Hastelloy-X合金热轧棒材的,但二者的蠕变应力指数相近,且均主要通过位错的移动和攀移进行蠕变变形。     

NiTi气雾化制粉工艺对选区激光熔化成型性、制件超弹性的影响

选区激光熔化成型具有外界温度感知能力的NiTi形状记忆合金是4D打印金属材料技术的基础研究,根据选区激光熔化技术对粉末性能的要求,研究NiTi形状记忆合金不同气雾化制粉工艺对选区激光熔化成型性及制件超弹性的影响规律具有重要意义。通过对比分析真空惰性气体雾化(VIGA)、电极感应熔炼气雾化(EIGA)制粉工艺对NiTi合金粉末杂质含量、流动性、球形度等性能的影响,发现VIGA制粉工艺由于采用坩埚熔炼,导致合金杂质元素增加、粉体性能恶化,粉末粒度分布偏向细粉侧,极易形成卫星粉,导致粉末流动性差,在打印过程中铺粉困难而难以成型,并且氧含量的增加导致打印过程中易发生球化、开裂等现象,使得VIGA工艺制备的NiTi合金粉末SLM成型性较差。而采用EIGA工艺制备的粉末粒度分布均匀、流动性好、氧含量低,满足选区激光熔化技术对NiTi合金粉末的特性要求。并对比分析两种工艺制备的粉末打印样品的表面形貌,成型了具有完全回复性能的超弹NiTi形状记忆合金样件。     

铝合金激光选区熔化成型能力研究

为了探究激光选区熔化(SLM)技术在无支撑条件下铝合金零件的工艺成型能力,为后续基于铝合金SLM技术的结构设计奠定基础,开展了系列典型工艺单元件的设计与制造。在综合考虑零件摆向方位、悬端角度、开孔形状与大小等因素的基础上,采用Xline 2000 R设备在优化的工艺参数下选用AlSi10Mg粉末对这些典型工艺单元件进行激光选区熔化。通过典型工艺单元件的制造研究,得出了系列能够指导基于铝合金SLM技术进行结构设计的有益结论。该研究为后续基于铝合金SLM技术进行复杂零件的设计与制造奠定基础。     

钛粉选区激光烧结三维瞬态温度场模拟

考虑材料在烧结过程存在着相变潜热的特性和材料热物性参数随温度变化特性等,基于ANSYS建立选区激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)成型过程的模型,并且利用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载。以纯钛粉末为烧结材料进行三维瞬态温度场模拟。模拟结果表明:由于热积累效应,随着扫描时间的增加,熔池的温度越来越高,热影响区也随之增大;光斑中心热影响区随激光功率增加而扩大,同时热影响区温度也随激光功率增加在提高;扫描速度小,容易造成液相的流动,出现孔洞,扫描速度过大,则粉末不能完全熔化。     

反冲压力作用下激光选区熔化熔池热动力学行为

激光选区熔化(SLM)过程中,金属蒸发产生的反冲压力会改变熔池的热力学行为,导致零件缺陷。以316L不锈钢粉末为对象,通过数值模拟和试验测试,分析了不同激光工艺参数下反冲压力对熔池温度场和速度场的影响规律。其中,数值模型基于VOF多相流原理,充分考虑金属蒸发的反冲压力,同时结合了界面追踪热源模型。结果表明:固定激光线能量密度为300J/m时,较大的扫描速度(1.0m/s)会得到沿扫描方向更大范围的熔池,也会产生更深的凹陷;当激光扫描速度一定时(1.0m/s),熔池凹陷深度随激光功率增大而增大;并且凹陷深度越大,熔池深度越大,但沿扫描方向的熔池范围、熔化道表面形貌和宽度变化不大。     

微型器件选区激光熔化成形温度场的有限元分析

为选择合适的工艺参数实现微型器件的选区激光熔化直接成形,利用ANSYS有限元软件对成形过程的温度场进行了分析。结果表明,温度场的形貌大致呈椭圆形,熔池位置滞后于激光光斑位置,粉末层最高温度、熔池最大宽度和深度均随着扫描速度的增加而减小、随着激光功率的增加而增大。根据分析结果选择合适的工艺参数,当光斑直径为50μm、粉末层厚为30μm、激光功率为200W、扫描速度为800mm/s和扫描间距为100μm时,成形的效果最好,制备出了具有较高精度和物理性能的微型钻头。     

激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验

激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100~300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100~150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200~300 W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数的调整与优化具有重要的参考价值。     

金属构件选区激光熔化快速成型铺粉控制系统研究

选区激光熔化（SLM,Selective Laser Mching)技术是直接将选区内金属或合金粉末逐层熔化,堆积成一个冶金结合,组织致密的实体,其外形不需进一步加工,经抛光或简单表面处理可直接作模具。本文是在自行研制的国内首台金属构件直接选区激光熔化实验样机设备基础上,介绍分析了该设备的控制系统,重点介绍了选区激光熔化设备铺粉控制系统,它是该技术能否达到预期目标的关键因素之一,并且对其铺粉精度进行了试验验证,为金属构件直接选区激光熔化成型工艺研究奠定了基础。     

GH3536粉末循环利用对SLM成型件力学性能的影响

GH3536是一种可以在高温下长期工作的典型固溶强化型镍基合金，具有独特性能优势。为了降低激光选区熔化（SLM）成型GH3536零件的制造成本，针对粉末循环次数对成型件力学性能和粉末成分的影响进行了相关研究，收集不同循环次数粉末制备标准试棒，分别测试其力学性能，并对多次循环后的粉末化学成分进行检测分析。研究表明粉末循环次数对SLM制备试样的抗拉强度、屈服强度以及伸长率没有明显影响，横向制备试棒具有更高强度而纵向制备试棒塑性较好。粉末循环20次后化学成分没有明显变化，仅氧元素和氮元素含量有所增加。     

S136模具钢粉末选区激光熔化成形工艺窗口试验研究

利用选区激光熔化(SLM)技术对S136模具钢粉末进行不同激光功率和扫描速度组合下的单道扫描试验,分析归类了熔道形貌特征,研究了熔道宽度的成型稳定度下最优工艺窗口,研究了激光功率和扫描速度对熔道宽度的影响规律,分析了较优工艺参数组合下熔道形貌特征产生的原因。     

选区激光烧结成型设备预热装置的研究

选区激光烧结(Selective laser sintering,SLS)成型设备中热能的传递与吸收是整个零件成型过程中极其重要的环节,热能的均匀分布和有效利用是决定SLS成型优劣的重要因素.然而目前通过选区激光烧结制造的零件普遍存在精度较低,表面质量较差,强度不够等问题,研究表明粉末的预热温度是影响制件精度和强度的重要因素.通过建立辐射系统的数学模型,并对选区激光烧结成型辐射换热进行分析,分析预热温度场的均匀度,进而设计了能提供均匀温度场的新型预热装置,为烧结粉末提供良好预热条件.     

马氏体时效钢激光选区熔化成形过程介观尺度数值模拟

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以18Ni-300马氏体时效钢为SLM成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了SLM成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从60 W增加至270 W时单道SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在0.2 J/mm、0.3 J/mm和0.45 J/mm线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率180 W和扫描速度600 mm/s组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为83μm,并研究80μm、100μm和120μm扫描间距下多道多层SLM成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。     

基于熔池特征融合的选区激光熔化缺陷预测方法研究

针对单一熔池特征对选区激光熔化缺陷预测精度不高的问题，提出了一种基于熔池特征融合的选区激光熔化过程缺陷预测机器学习模型。利用红外热像仪拍摄选区激光熔化过程中的熔池红外图像，检测工件中的缺陷并对其相对应的熔池红外图像进行类型标定。通过提取拍摄的熔池红外图像中熔池的灰度梯度特征、尺寸特征和形状特征，融合特征向量后得到新的特征向量，并传入K-邻近算法（KNN）中进行缺陷分类和缺陷预测，并通过比较算法预测缺陷的准确率确定K值。结果表明，运用这种融合特征分类KNN算法对选区激光熔化缺陷预测的准确率可达97.5%，相比单一熔池特征缺陷预测方法效果有较大的提升。     

激光选区熔化技术的应用现状及发展趋势

激光选区熔化技术(SLM)是增材制造技术(AM)的重要技术之一,结合国内外对SLM技术研究及应用文献,介绍了该技术的工作原理、工艺影响因素、成型材料种类、国内外SLM技术研究机构。阐述并例举了金属SLM技术的应用领域,总结了当前SLM技术发展现状及面临的问题,对未来SLM技术发展趋势进行了展望。     

选区激光熔化成形316L不锈钢零件中的缺陷及形成机理研究进展

选区激光熔化(SLM)是目前应用最广泛的金属增材制造技术之一。SLM成形零件中不可避免会产生许多缺陷，包括孔隙、表层粉末球化、裂纹等；缺陷的形成不仅会影响成形过程的顺利进行，也会破坏零件内部完整性，降低零件的服役性能。对SLM成形316L不锈钢零件中孔隙、表层粉末球化、裂纹3种缺陷的主要特征进行了综述，对这3种缺陷的形成机理和影响因素进行了总结，提出了控制缺陷的主要措施，最后给出了今后的研究方向。     

选择性激光熔化成形温度场模拟与分析

在316L不锈钢的选择性激光熔化(SLM)三维成形过程模拟中,针对目前普遍采用单层热源加载进行模拟的局限性,采用ABAQUS软件建立了一个三维多层有限元模型来解决此问题。主要研究了在成形过程中,激光功率和扫描速率对粉床热行为的影响,在软件子程序中考虑了材料的粉末-液态-实体状态变化、相变潜热的影响,同时实现多层铺粉以及多层热源的加载。模拟结果表明:多层扫描中,随着扫描时间的增加,单层熔池的温度越来越高,熔池三维尺寸也逐渐增加,第二层比第一层粉床中心位置处的温度增加0.04%,熔池的宽和高分别增加1.33%、29%,第三层比第二层粉床中心位置处的温度增加0.02%,熔池宽和高分别增加1.35%、25.8%;成形过程中,熔池前端的温度梯度较大,随着线性能量密度(LED)的增加,熔池的温度和三维尺寸也逐渐增加。功率比扫描速率对粉床热行为的影响大,能量密度的范围在1.5~2.5 J/cm时,成形件的质量较好。     

选择性激光熔化成形瞬态温度场数值模拟

为揭示选择性激光熔化成形的机理,初步建立了其熔化过程的传热理论模型;考虑温度变化对材料热物性参数的影响,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)建立了有限元数值模型并进行了温度场求解.计算结果显示:熔化成形过程中温度场等值线呈椭圆状,已凝固部分在光斑再次扫描至邻近部位和上层粉末时由于热传导作用而发生重熔;熔池的尺寸大小随吸收能量的增加而逐渐增大,由初始宽约0.2mm增至0.25mm左右;温度场分布均匀、温度梯度小可减小零件的翘曲变形;基板温度随时间的推移而逐渐升高.     

基于选区激光融化成型的空间曲线啮合轮后处理工艺及传动性能研究

采用选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)快速成型设备与316L不锈钢粉末,得到的空间曲线啮合轮样品表面粗糙度值较大,主动轮与从动轮不能实现连续稳定的啮合传动。为了研究选区激光熔化成型的空间曲线啮合轮的表面后处理工艺,采用机械喷砂与电解抛光相结合的加工方法得到的主动轮与从动轮样品,表面粗糙度值达到Ra 1.0μm。实验结果表明,采用的后处理工艺和参数获得的主动轮与从动轮样品具有较高的形状精度与尺寸精度,能够实现连续稳定的啮合传动。此方法为空间曲线啮合轮提供了较好的制造思路。