【導(dǎo)讀】研究目的和意義·····················································6. 選擇性激光燒結(jié)概述·················································7. SLS技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀···········································9. SLS鋪粉裝置的目前現(xiàn)狀············································10

　　

【正文】 m? 400mm,用螺栓螺母配合，固定于機(jī)身上。 鋪粉滾筒裝置 包括鋪粉滾筒及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其作用是把粉末材料均勻的鋪平在工作缸上。 滾筒由鋼芯和包裹于外部的塑料組 成。上部套在圓形導(dǎo)軌之上，由絲杠傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn) X 方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。每次工作時(shí)，鋪粉筒先運(yùn)動(dòng)至右限位，而后退回。 圖 310 鋪粉滾筒裝置 送料工作缸 提供燒結(jié)所需的粉末材料。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型缸基本相同，因要保證供料充足，所以體積要比成型缸大，高為 400mm。 激光器 提供燒結(jié)粉末材料所需的能源。 用 于固態(tài)粉末燒結(jié)的激光器有以下幾種 31 二氧化碳激光器 Nd:YAG 激光器 根據(jù)應(yīng)用 蠟粉材料，選用二氧化碳激光器 列表如下 : 表 32 激光參數(shù) 根據(jù) 20xx 年所產(chǎn)激光器各項(xiàng)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，其購(gòu)買(mǎi)成本假設(shè) 15 千美元 /臺(tái)；運(yùn)行成本按每月計(jì)算，激光器耗損 3 千美元 /臺(tái) /月，電力消耗 千美元 /臺(tái) /月。 振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng) 振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)由 XY 掃描頭和動(dòng)態(tài)聚焦模塊組成。 X， Y 掃描頭上的兩個(gè)鏡子在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制下，把激光束反射到工作面預(yù)定的 X， Y 坐標(biāo)上。動(dòng)態(tài)聚焦模塊通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié) Z 方向的焦距，使反射到 X， Y 任意坐標(biāo)點(diǎn)上的 激光束始終聚焦在同一平面上。動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)和激光器的控制始終是同步的。具體結(jié)構(gòu)如圖 32 圖 311 振鏡式動(dòng)態(tài)聚焦掃描系統(tǒng) 掃描工作臺(tái)的 X方向運(yùn)動(dòng)由直徑 16mm的絲杠驅(qū)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)支撐有兩個(gè)圓柱導(dǎo)軌完成，運(yùn)行導(dǎo)軌直徑 20mm。驅(qū)動(dòng)絲杠的電機(jī)選用 57BYG503 型，靜轉(zhuǎn)矩可達(dá) 。 掃描工作臺(tái)的 Y 方向運(yùn)動(dòng)由直徑 12mm 的絲杠驅(qū)動(dòng)，由直徑 20mm 的單圓柱導(dǎo)軌支撐。驅(qū)動(dòng)絲杠電機(jī)選用 57BYG303 型步進(jìn)電機(jī)，靜轉(zhuǎn)矩 。 雙圓柱導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ： 1）圓柱面既是導(dǎo)向面，又是支撐面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于采用淬火鋼，延長(zhǎng)導(dǎo)軌壽命，減少磨擦力。 2）圓柱導(dǎo)軌在兩端支撐上剛性較差，選用用較大的直徑，導(dǎo)向面較大時(shí)精度穩(wěn)定。 機(jī)身與機(jī)殼 機(jī)身，機(jī)殼給整個(gè)快速成型系統(tǒng)提供機(jī)械支撐和所需的工作環(huán)境。 33 總 結(jié) 通過(guò)本學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我較全面地掌握了快速成型中激光燒結(jié)技術(shù)的工作的原理和機(jī)械設(shè)計(jì)。在進(jìn)行 SLS 設(shè)計(jì)時(shí)，我 受益匪淺，想想這四年的學(xué)習(xí)。能在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來(lái)，實(shí)屬高興，本次設(shè)計(jì)，我覺(jué)得我得到了這些收獲： 1 很好的重溫了三年的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 2 自己動(dòng)手去學(xué)習(xí) CAD 等軟件，完成了制圖工作 3 去圖書(shū)館查閱相關(guān)資料，完成自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我明白，知識(shí)的積累需要自己通過(guò)實(shí)踐，才能得到。 其實(shí)，在這次設(shè)計(jì)中，得到的遠(yuǎn)不止這些，礙于篇幅，就不在敘述，我相信，這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，給我一生都是受益匪淺的。 34 致 謝 在 畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我敬愛(ài)的導(dǎo)師周里群老師以其極為豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，嚴(yán)禁的治學(xué)態(tài)度以及和藹的處事方式，給了我很大的幫助。本論文的研究和撰寫(xiě)更是在周里群老師的悉心指導(dǎo)下完成的。周老師在學(xué)業(yè)上要求嚴(yán)格，認(rèn)真指導(dǎo)，在生活上給予我很多熱情的關(guān)懷和鼓勵(lì)。在此我真誠(chéng)地獻(xiàn)給他我最由衷的感謝 ! 在論文撰寫(xiě)以及本課題的研究過(guò)程中，我還得到了本專(zhuān)業(yè)同學(xué)熱心的幫助，對(duì)他們?cè)谡n題調(diào)研期間無(wú)微不至的照顧和幫助表示誠(chéng)摯的感謝。 感謝各位評(píng)審專(zhuān)家對(duì)本論文進(jìn)行了審閱，并指正了論文中的錯(cuò)誤和不足， 在此，向畢業(yè)設(shè)計(jì)期間曾經(jīng)對(duì)我學(xué)習(xí)，生活等給于 幫助過(guò)的領(lǐng)導(dǎo)，老師，同學(xué)和朋友表示最真摯的謝意！ 此外，我還衷心感謝給予我積極的人生觀和生存技能，并培育教育我的四年的母校！向母校致敬！ 35 參考文獻(xiàn) [1]安琦 ,顧大強(qiáng) .機(jī)械設(shè)計(jì) [M].北京：科學(xué)出版社， 20xx [2]趙丁選 .光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)使用手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20xx [3]王至堯 .特種加工成形手冊(cè) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 20xx [4]王 運(yùn)贛，王宣 .三維打印技 [M].武漢：華中科技大學(xué)出版社， 20xx [5]張建民 .機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].北京：高等教育出版社， 20xx [6]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì) .現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 20xx [7]趙又紅 ,周知進(jìn) .機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社， 20xx [8]沈鴻 .機(jī)械工程設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1982 [9]歐陽(yáng)鴻武，陳欣等 .特種粉末選擇性激光燒結(jié)快速成型技術(shù) [J].粉末冶金材料科學(xué)與工程 , [10]潘琰峰，沈以赴，顧 東東，等 .選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 [J].工具技術(shù)， 20xx， 38（ 2）： 37 [11]楊軍慧，黨新安，楊立軍 .選擇性激光燒結(jié)快速成型機(jī)鋪粉裝置設(shè) [J].機(jī)床與液 壓 .20xx,10013881 36 附 錄 英文翻譯： 選擇性激光燒結(jié)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬 張堅(jiān) 李云健等 華東交通大學(xué) 運(yùn)載工具與裝備國(guó)家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摘要： 金屬混合粉末鎢銅的激光燒結(jié)過(guò)程是通過(guò) ANSYS 有限元軟件模擬的，其中溫度場(chǎng)下有輻射，對(duì)流和熱物理參數(shù)這些因素做為模擬條件。在一些文獻(xiàn)中研究表明激光功率和掃描速度等這些關(guān)鍵參數(shù)直接影響燒結(jié)成型。研究顯示當(dāng)掃描速度恒定時(shí)，隨著激光功率的增加燒結(jié)深度會(huì)增加，相反，當(dāng)激光功率恒定時(shí)，隨著掃描速度的增加而燒結(jié)深度會(huì)有所下降。在燒結(jié)深度中選擇合理的加工過(guò)程參數(shù)來(lái)滿(mǎn)足燒結(jié)質(zhì)量的要求，結(jié)合燒結(jié)的深度合理的利用燒結(jié) 功率和掃描速度的參數(shù)。 關(guān)鍵詞： 選擇性激光燒結(jié) 數(shù)字模擬 溫度場(chǎng) 燒結(jié)深度 1 引言 鎢銅混合材料，一種典型的二階段偽合金，它具有良好的導(dǎo)電性，銅的熱傳導(dǎo)性和高熔點(diǎn)和鎢的高硬度。它被用作電接觸，電極材料，特殊用途的軍用物資（例如火箭的噴嘴），還有高氣密性包裝的 CPU 散熱器襯底和固態(tài)微波爐等等，因此，鎢銅混合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和軍用。 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，是最近研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題，它能夠從 3DCAD 軟件中 ，直接制造金屬模型或者較復(fù)雜形狀的部分原型，去得到應(yīng)有的功能來(lái)滿(mǎn)足要求。 SLS 有望獲得高密度的鎢銅 合金和得到其他加工方法很難完成的具有復(fù)雜狀的零件。本篇論文，主要是講通過(guò)有限元 ANSYS 軟件數(shù)字模擬鎢銅合金粉末在溫度場(chǎng)中的分布，分析激光功率和掃描速度對(duì)燒結(jié)深度的影響。由燒結(jié)深度選擇合理的工藝參數(shù)，對(duì)鎢銅合金粉末的的燒結(jié)成型具有重大的意義 . 2 建立模型 建立數(shù)學(xué)模型 熔池在周?chē)目諝夂?SLS 粉床上產(chǎn)生熱變化，這個(gè)導(dǎo)熱性由下面的等式表達(dá)： 代表有效的熱傳導(dǎo)粉末系數(shù)： 代表壓實(shí)粉末密度； C 代表材料的熱熱量； 代表分散的熱空氣： 激光能量密度。 假設(shè)燒結(jié)之前是均勻分布的最初的溫度設(shè)為 T0，開(kāi)始的顯示條件如下所示： 37 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)在襯底的底部沒(méi)有熱量的損失，在 SLS 中，熱的損失是有傳導(dǎo)和輻射造成的，邊界條件顯示如下： 代表有效的熱傳導(dǎo)粉末系數(shù)； h 代表熱傳導(dǎo)系數(shù)； T 代表金屬粉末 在某一刻的溫度； Stefanbdtzmann 固定值； 代表初始溫度； 代表實(shí)際對(duì)象的熱輻射系數(shù)。 物理模型的建立 為了簡(jiǎn)化燒結(jié)模型和計(jì)算時(shí)間，在下面建立有限元模型，混合粉末由鎢和銅以一定的比例混合。網(wǎng)格為 度，不同的網(wǎng)的尺寸能夠用于襯底和燒結(jié)層。燒結(jié)層最小的厚度為 。 下面的圖 2中顯示在激光的高斯分布，激光能量的中 心是最高的，激光能量隨著遠(yuǎn)離中心點(diǎn)而連續(xù)降低。將激光點(diǎn)分成 4 4，則 1， 2， 3所對(duì)應(yīng)的衰變系數(shù)分別為 ， ， . 38 圖 1 圖 2 在燒結(jié)過(guò)程中，激光能量遵從高斯分布： q 代表激光能量密度 。 P 代表激光能量； A 是激光到粉床的激光吸收比率； 39 r 代表 粉床上的一個(gè)點(diǎn)到激光中心的距離 。 W 是激光點(diǎn)的半徑。 3 結(jié)果和分析 粉末是有鎢和銅以一定比例混合的，融化溫度分別是 3380176。和 1083176。下面的表格 1和圖 3顯示了其他的。 工藝參數(shù)假設(shè)為直徑為 ,掃描空間是 ,粉末厚度是 ,空氣傳導(dǎo)系數(shù)是 10，粉床的有效輻射系數(shù)為 。 表 1 圖 3 圖 4顯示了池深度的有效掃描速度，有圖可見(jiàn)，當(dāng)激光功 率是固定值時(shí)，燒結(jié)深度隨著掃描速度的增加而減少，在 v=，燒結(jié)深度為 ，然而在 v=，燒結(jié)深度為 .原因是因?yàn)楫?dāng)激光功率固定時(shí)，掃描速度的增加，輸入的激光能量會(huì)減少，同時(shí)，能量在粉末粒子停留的時(shí)間就就較少，特別是在高的掃描速度下，在能量和粉末粒子之間持續(xù)時(shí)間是極短的，甚至粉末粒子不能夠融化，因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換到粉末粒子周?chē)鷽](méi)有足夠的時(shí)間，但是在低的掃描速度下，溫度提升很容易導(dǎo)致巨大的累積效果和比較大的溫度梯度。 40 圖 5顯示了粉池中激光功率的影響，正如圖所見(jiàn)，當(dāng)掃描速 度固定時(shí)，燒結(jié)深度在提高隨著燒結(jié)功率的提高。在 p=195w 時(shí)，燒結(jié)深度僅僅是 ,p=235w 時(shí)燒結(jié)深度是增加到 描速度是固定的，而激光功率的提高，輸出能量密度也在提高，但是過(guò)多的激光功率會(huì)使溫度太高以至于粉末燒結(jié)層有巨大的收縮，這很容易導(dǎo)致工件的翹曲和開(kāi)裂。 圖 4 粉池中掃描速度的影響 圖 5 粉池中激光功率的影響 41 激光功率和掃描速度是直接影響燒結(jié)成型的關(guān)鍵參數(shù)，較高的掃描速度不僅僅能有效地抑制熔池的擴(kuò)張和“濺”的現(xiàn)象，而且能提高形成效率。合理的激光功率不僅僅能確保更好的層的粘接，而且也可以減少燒結(jié)層的收縮和翹曲。 燒結(jié)深度必須大于粉層的厚度，目的在于穿透當(dāng)前的粉末層時(shí)確保相鄰的粉層更好的粘結(jié)。否則，相鄰的粉層將會(huì)分開(kāi)，獲得的粉池中零件的強(qiáng)度和形成的準(zhǔn)確性，甚至在形成過(guò)程中都不能實(shí)現(xiàn)。圖 6顯示了在一個(gè)特定的激光功率和掃描速度下，不同時(shí)間下 Z 方向的溫度分布。正如圖所示，在 t= 時(shí)， 的溫度是明顯高于銅的融化點(diǎn)（ 1356K），它暗示了燒結(jié)深度大于粉層厚度，同樣地，燒結(jié)深度在 t= 是 ，在 t= ,所以粉末厚度低于燒結(jié)深度，在當(dāng)前工藝參數(shù)下，相鄰的結(jié)合點(diǎn)在第一層和底層是最強(qiáng)的，而且冶金的結(jié)合層也是比較好的。 SLS 的 3D 部分完成線(xiàn)的表面和層的重疊，通過(guò)燒結(jié)形成的固體結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿(mǎn)足下面的 2個(gè)條件。 1，覆蓋程度的能量應(yīng)該要求在掃描光束之間，也就是說(shuō)，在一個(gè)確定的功率密度下，掃描速度不能太高，以確保有足夠的功率輸入使粉末層在當(dāng) 前層粘接在一起，而且沒(méi)有散粉的情況下，形成2D 的表面結(jié)構(gòu)， 2，粉末厚度要低于燒結(jié)深度，也就是說(shuō)，燒結(jié)功率應(yīng)該確保在穿透當(dāng)前層時(shí)使相鄰的層更好的粘結(jié)，這樣就能更好的形成 3D 的立體結(jié)構(gòu)。 圖 6 不同時(shí)間 Z 方向的溫度分布（ 1t1=, 2t2=, 3t3=) 42 4 總結(jié) 1， 當(dāng)掃描速度固定時(shí)，隨著激光功率的提高燒結(jié)深度也會(huì)提高，另外，當(dāng)激光功率固定時(shí)，隨著掃描速度的增加燒結(jié)深度會(huì)下降。 2，選擇合理的工藝參數(shù)且在燒結(jié)深 度下滿(mǎn)足燒結(jié)質(zhì)量的要求，通過(guò)分析燒結(jié)深度，合理利用燒結(jié)功率和掃描速度。