激光选区熔化熔池光强监测系统设计

熔池光强监测是激光选区熔化（SLM）过程监测的重要方法之一。针对SLM成形过程,建立了一套熔池光强监测软硬件系统,通过近红外滤光技术和光电二极管检测电路,获得成形过程中的熔池光强数据。针对时域信号不能可视化激光作用不同成形位置时的熔池光强变化,提出了采用映射算法对熔池光强数据进行建模。对变功率下熔池光强进行数据分析与建模,激光功率120 W熔池温度均值为1 404℃时,二极管信号均值为0.31 V,标准差为0.04 V,熔池较稳定;功率增加到220 W熔池温度为1 727℃时,二极管信号均值增加为0.81 V,标准差增加为0.22 V,熔池稳定性变差。表明该熔池光强监测系统可以获得工艺参数对熔池热辐射行为的影响规律,用于支持SLM成形工艺的研发与优化。     

金属粉末选区激光熔化成形过程温度场模拟

利用ANSYS有限元软件对选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形过程的三维瞬态温度场的分布变化进行了数值模拟;在考虑材料的热物性参数随温度变化和相变非线性行为的情况下,建立了选择性激光熔化(SLM)的三维温度场有限元模型;并利用ANSYS参数化设计语言(APDL)实现了激光高斯热源的移动加载.模拟结果表明随着扫描时间的增加,由于热积累效应,熔池的温度越来越高,热影响区也随之增大;熔化成形过程中,光斑中心的前端存在较大的温度梯度;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;模拟得到的结果与实验结果相吻合.     

选区激光熔化快速成型过程温度场数值模拟

为了优化铜磷合金粉末选区激光熔化快速成型的工艺参数,采用有限元分析软件ANSYS对其温度场进行了模拟,经理论分析和实验验证,获得了其温度场分布的数据.对材料未知温度范围内的热特性参数用插值法近似获得,采用不等网格剖分方式,用热焓去处理相变潜热问题.结果表明,其温度场的等温线分布为椭圆形,用模拟遴选的工艺参数(在铺粉厚度为0.22mm时,选用激光功率为100W、扫描速度为0.25m/s和激光束半径为0.1mm)能实现选区激光熔化快速成型.这一结果对其它粉末材料的选区激光熔化快速成型也是有帮助的.     

纯钨电子束选区熔化过程的温度场有限元模拟

针对金属材料的电子束选区熔化过程,建立了瞬态温度场及熔池演化的有限元模拟方法。采用双椭球热源模型模拟移动电子束,给出了基于传热机理考虑材料物性参数随材料状态及温度变化的粉末热物性参数估算实现方法,并对有限元模拟方法进行了解析解验证。在此基础上对纯钨的电子束选区熔化过程进行了模拟,单道扫描模拟结果表明,随电子束扫描速率的增大,或电子束半径的增大,或热源功率的减小,熔池最高温度降低,熔池的长度、宽度及深度均减小。两层多道扫描的模拟结果表明,除第一层第一道外,熔池温度场及熔池形貌不对称于扫描中心线,已扫描侧的热影响区大,温度梯度小,熔池面积小。通过模拟得到的熔池剖面图,可预测一定工艺参数条件下多道之间的搭接及多层之间的熔合情况。     

选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化

在金属粉末的选择性激光熔化成形过程中,需要解决球化、翘曲、变形等难题.对于一定的金属粉末,通过优化成形工艺参数可以克服以上难题.为此,利用ANSYS有限元法对成形过程的熔池及温度场模拟,建立有限元模型,分析得出成形过程熔池的深度和宽度,预测并优化成形过程的工艺参数.通过实验验证,应用有限元法优化后的成形工艺参数能够成形出复杂金属零件.     

选区激光熔化激光功率对316L不锈钢熔池形貌及残余应力的影响

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。     

焊丝熔化填充方式对激光焊接熔池影响的数值模拟

结合激光深熔焊的焊接特性,建立焊丝熔化后进入熔池过程的三维瞬态激光焊接热-流耦合模型。研究了焊丝熔化填充方式对匙孔三维形态、熔池流动行为的影响,最后分析了焊丝熔化填充对匙孔稳定性的影响机制。计算结果表明,焊丝熔化以自由过渡的形式落入熔池对匙孔的形态影响较大,对匙孔前壁的挤压作用非常明显,造成了匙孔闭合、倒塌的情况;焊丝熔化沿熔池边缘流入熔池对匙孔的形态影响相对较小,匙孔下部会出现内凹的现象。焊丝熔化进入熔池之后在匙孔后方的熔池会产生两个顺时针的流动漩涡,流动漩涡的存在会使熔池内部流动行为更加复杂。     

选区激光熔化成形零件支撑结构性能差异研究

利用选区激光熔化制造金属零件时,悬垂构件的可制造性和成形质量与添加的支撑结构密切相关。采用热弹塑性有限元分析方法,研究了不同支撑类型的热传导特性,并通过试验揭示了支撑类型对316L试件翘曲变形、表面形貌、显微组织及显微硬度的影响规律。结果表明：块状支撑的散热性能优于锥状支撑,将试件峰值温度降低了6.7%,温度振荡幅度降低了41.07%,而其较好的导热性能使试件下表面粗糙度降低了6.23%,同时悬垂区域金属组织中出现了细化晶粒（18.42μm）及脆而硬的网状Cr、Ni相,显微硬度提高到234 HV。锥状支撑将试件变形降低了1 mm,而试件底部较少的气孔缺陷使硬度波动降低了14 HV。分析认为,组合支撑中增加块状结构的比例有利于提高试件成形精度和力学性能,增加锥状结构的比例有利于减小试件翘曲变形程度。     

激光选区熔化纯铜成形件尺寸精度的研究

为了研究工艺参量对激光选区熔化纯铜粉末成形件尺寸精度的影响,采用正交实验对纯铜粉末进行了激光选区熔化成形研究。分析了铺粉厚度为0.05mm时,工艺参量对成形件尺寸绝对误差的影响规律及各因素对尺寸精度的影响机理,确定了各工艺参量对尺寸绝对误差影响的主次顺序为扫描间距>扫描速率>激光功率>扫描路径,得到最优的工艺参量组合为激光功率360W,扫描速率1050mm/s,扫描间距0.08mm,扫描方式是spiral。结果表明,成形件尺寸绝对误差随激光功率的增大而增大,随扫描速率、扫描间距的增大而减小;不同扫描路径对尺寸绝对误差的影响差别较小;在因素水平范围内,尺寸绝对误差随体能量密度的增加而增大。该研究为激光烧结纯铜粉末时的参量选择提供了一定依据。     

基于多层有限元模型的激光选区熔化多层瞬态温度场演化规律研究

建立了激光选区熔化(SLM)加工的多层瞬态热有限元模型,该模型考虑了随温度变化的材料属性,并通过将粉末材料的热物理属性转换为实体材料的热物理属性来模拟粉末-实体的转换过程,有限元分析结果与单熔道实验结果吻合,验证了该模型的有效性。研究了扫描速度(0.2 m/s,0.4 m/s,0.6 m/s)和激光功率(80 W,100 W,120 W)对温度场的影响,并研究了相邻层之间的铺粉过程的冷却效应。结果显示,当扫描速度越大时,温度峰值点相较激光光斑中心越偏后,温度峰值和温度梯度随着激光功率的增大或者扫描速度的减小而增大,该研究为SLM加工工艺参数的选择提供了理论依据。     

激光选区熔化成型典型几何特征尺寸精度研究

为了探讨激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度,并为激光选区熔化直接成型金属零件提供设计参考依据,设计了薄板、尖角、圆柱体、圆孔、方孔等典型几何特征的三维模型,采用华南理工大学研发的激光选区熔化设备(Di Metal-100)在优化的工艺参数下选用316L不锈钢粉末对这些典型几何特征进行激光选区熔化成型。实验结果表明,激光光斑约束、台阶效应、粉末粘附、激光深穿透等因素是影响零件尺寸精度和激光选区熔化成型能力的主要原因。基于对激光选区熔化成型典型几何特征的尺寸精度及成型能力研究,提出了一些适用于激光选区熔化的零件设计规则,为产品的创新设计提供了参考依据。     

选区激光熔化过程热应力试验研究

对316L不锈钢材料选区激光熔化热应力进行研究,搭建实时应力监测平台,探究热应力变化规律、温度与热应力的相关性、SLM成形单层多道和单道多层扫描热应力变化规律,并进一步研究在不同工艺参数下热应力的变化。结果表明,选区激光熔化过程中,热应力的变化有4个阶段——受压、受拉、拉压抵消、拉压平衡,且最终残余应力为拉应力;热应力的变化幅度与扫描速度呈负相关,与激光功率呈正相关,但过小的扫描速度会造成熔覆过程中出现重熔的现象,使残余应力得到释放。     

加激光选区熔化成形技术的产品设计三维模型研究

为了更好地对产品设计三维模型进行设计,针对当前对产品设计三维模型过程存在的一些难题,如:设计成本高、周期长等,提出了基于激光选区熔化成形技术的产品设计三维模型。首先分析当前产品设计三维模型设计的国内外研究进展,找到各种产品设计三维模型的缺陷,然后激光选区熔化成形技术通过激光扫描获取产品设计三维模型,将三维模型分成截面形状的二维平面信息,二维平面信息生成数控代码后通过平面加工方式加工各层薄层模型,将所有薄层模型粘结成型直至形成最终三维产品制件,最后进行了产品设计三维模型的仿真测试,结果表明,模型可以对产品进行高精度的三维设计,设计精度超过98%,而且产品设计成本低、周期短,具有较广的实际应用价值。     

激光选区熔化成型免组装机构的间隙特征研究

间隙特征的成型是免组装机构直接成型的关键问题,为了提高间隙特征的可成型性,采用倾斜摆放方式减少间隙内部支撑。建立悬垂结构尺寸误差的数学模型并进行试验验证;采用激光选区熔化(SLM)成型了间隙尺寸为0.2mm、一系列倾斜角度的间隙特征,研究成型厚度、倾斜角度和能量输入等工艺参数对间隙大小的影响;成型了免组装的折叠算盘。结果表明,在倾斜角度大于40°时,通过增大倾斜角度、减小成型厚度或者能量输入,间隙尺寸增大,实验结果与该数学模型相符合。当激光功率150 W、扫描速度为800mm/s时,层厚为25μm和35μm的间隙大小分别为140μm和120μm。采用以上的工艺参数成型的折叠算盘可以实现预设计的动作,为机构的直接制造提供了一个可行的方法。     

激光选区熔化钛合金多孔结构拉伸性能研究

为了研究结构类型和孔隙率对多孔Ti-6Al-4V合金拉伸性能的影响,对激光选区熔化技术成型的体心立方(BCC)、Z方向增强体心立方(BCCZ)和蜂窝多孔结构进行拉伸实验和有限元仿真。结果表明,孔隙率从10.91%提高至33.84%,BCC、BCCZ和蜂窝多孔结构的抗拉强度线性分别下降348.81,375.45,217.20 MPa,结构的最小截面随孔隙率的提高而线性减小,导致拉伸性能线性降低;脆性断裂和截面积的减少使得多孔拉伸件的延伸率相对于实体结构呈大幅度下降;蜂窝多孔结构的拉伸性能明显优于BCC和BCCZ结构,比强度均随孔隙率的提高而增大,而且仿真与实验结果在规律性和弹性阶段较吻合。     

铜磷合金粉末选区激光熔化成型研究

为了应用选区激光熔化技术直接制造金属零件,采用Dimetal 240快速成型机对平均直径为75μm的铜磷合金粉末进行了工艺试验。成型机配备200W半导体抽运Nd:YAG激光器,激光功率为103W～117W,内部扫描速度为0.25m/s～0.41m/s,边框扫描速度为0.15m/s,铺粉厚度为0.2mm。所得试样用扫描电镜和光学显微镜进行了微观组织分析。试样层问结合为冶金结合,致密度达到90%以上,层内组织为细长枝晶,层问组织为细小等轴晶。结果表明,通过设定合适的工艺参量,选区激光熔化技术可以直接成型金属零件。     

选择性激光熔化成形高熵合金CoCrFeMnNi的温度场数值模拟研究

采用Ansys有限元分析软件,对选择性激光熔化成形高熵合金CoCrFeMnNi的温度场分布进行数值模拟。在考虑随温度变化的热物理参数情况下,建立选择性激光熔化有限元模型,利用在Ansys-Workbench中插入参数化设计语言,实现高斯锥形体热源的加载,研究功率和速度对成形过程温度场的影响。模拟结果表明：在单层多道模拟时,随着SLM激光功率增大和扫描速度的下降,SLM成形HEA CoCrFeMnNi的熔池长度和宽度呈增大趋势;先扫描的区域会对未扫描的区域起预热作用且存在热积累现象,在平行于SLM激光扫描方向存在较大的温度梯度。