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选择性激光烧结(Select Laser Sintering,SLS)是发展最快、最为成功且已经商业化的快速成形技术之一。由于烧结粉末选材广泛、适用性广,可直接烧结零件,因此,SLS技术在现代制造业中受到越来越广泛地重视。
聚合物粉末材料SLS成形能直接制造原型件和具有一定性能要求的功能塑料件,具有广阔的应用前景,成为SLS技术的一个重要发展方向。但基于SLS原型的快速制造技术还正处于发展阶段,应用于实际生产时还存在许多问题,其中最突出的问题是烧结过程中由于温度非均匀变化引起热应力和热应变,使最终制件出现变形现象。本文针对制件变形问题对SLS温度场、热应力场有限元数值模拟进行了深入的研究,具体内容为:
1.综述了SLS技术及SLS数值模拟技术的研究现状和发展趋势,分析了对SLS成形进行热应力有限元模拟的意义,深入研究了聚合物粉末SLS烧结机理,总结了材料特性和烧结过程中工艺参数对制件变形的影响。
2.以大型有限元分析软件ANSYS为平台,针对SLS热成形过程,建立了三维瞬态温度场、热应力场参数化有限元分析模型,该模型综合考虑了非均匀分布高斯热源、对流和热辐射等边界条件、材料热物属性随温度变化呈高度非线性的特征以及成形过程中因材料状态变化而产生的相变潜热等因素对计算结果的影响。利用ANSYS二次开发语言APDL编制热源加载程序,实现激光束对粉床的扫描加载,利用“单元生死”技术实现了SLS多层动态堆积成形。
3.利用建立的模型对高密度聚苯乙烯粉末SLS温度场进行了计算,分析了SLS成形时温度场分布和温度梯度变化规律。单层烧结时,通过考察不同功率和扫描速度下的烧结宽度,得到扫描间距选择范围为0.1～0.2mm；多层烧结时,考察不同工艺参数下的烧结深度,得到铺粉层厚选择范围为.1～0.2mm。
4.在温度场分析的基础上,利用间接耦合法对SLS成形进行了热应力耦合分析,得出了SLS热应力、热应变分布规律。将热力耦合分析得到的热应变与SLS翘曲实验得到的制件翘曲变形相比较,结果表明两者变化趋势一致,从而验证了模型的合理性。本研究对优化工艺参数和预测烧结质量有重要的指导意义。