SLM3D打印的金属粉末的有限元分析

1、12一、选择性激光熔化打印机的介绍二、翘曲形变的基本原理三、物理模型的建立四、ANSYS模拟结果五、实验效果3一、选择性激光熔化打印机的介绍选 择 性 激 光 熔 化 技 术（Selective laser melting tech.）是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。右图为最新发布的EP-M250工业级金属粉末材料3D打印机，在无需刀具和模具条件下成形出任意复杂结构和接近100%致密度的金属零件。45二、翘曲形变的基本原理在激光选区熔化快速成型工艺中，极细小的激光光斑照射在粉末上，使粉末熔化并凝固成实体，由于快热快冷的成型特点，在材料内形成高达108K/s

2、的温度梯度，从而形成较大的热应力，并且高温使得材料的屈服强度降低，当应力大于材料的屈服极限时，材料就会发生翘曲变形，使得零件与基板、零件与支撑结构或者层与层之间发生开裂，导致成型失败。6三、物理模型的建立1.数学假设（1）粉末颗粒的热物性参数随温度而变化；（2）316不锈钢粉末组成的粉床看作是均匀且连续的，固体颗粒呈球形且大小相同，相互之间无接触变形；（3）激光束呈高斯分布且以圆形的热流形式辐照在粉床表面上；（4）不考虑 SLM 成形腔内保护气体对粉床致密度和比热容的影响；（5）不考虑金属液相流动对温度分布的影响；72.模拟流程83.单元选择及网格划分45号钢的金属基板尺寸为2.4mm1mm0

3、.4mm，激光扫描加工的316不锈钢粉末零件为1.75mm0.77mm0.1mm，处于基板的中央位置，该模型共有五条扫描道，每一层均沿Y轴作光栅单向往复式扫描，分析过程中采用SOLID70作为热分析单元，在加工零件上划分的每个网格单元的尺寸为 0.025mm0.025mm0.025mm。9105.初始条件与边界条件在选区激光熔融模拟过程中，将激光束的辐射简化为移动热源对粉床表面的热流密度的输入，属于第二类边界条件。粉床表面与周围流体介质之间存在热对流和热辐射，因此模拟计算时又同时存在第三类边界条件和第四类边界条件，可以用下式进行表示：初始条件：T0=323K44000-()()ezTkh TT

4、TTqz116.相变潜热的处理SLM过程是一个材料受热、熔化、凝固的过程，其间包含着相变潜热的吸收和释放。相变潜热是指物质由一个相变化到另一个相吸收或放出的热量。在ANSYS的计算中，一般采用热焓法进行计算，即通过定义材料随温度变化的焓来考虑相变潜热，其公式为：式中，H 为热焓，为密度，c为材料的比热容，T为温度。( )QHc T dT127.热传导方程的建立SLM成形过程中温度场的分析属于典形的非线性瞬态传热问题。该过程粉末的热量传递可以采用傅里叶热传导定律的经典三维热传导偏微分方程(Fourier方程)来求解。由于材料会发生一系列的变化(粉态液态固态)，所以存在着相变潜热的影响。把相变潜热

5、作为内热源Q，则方程表达式为：222222()eTTTTckQtxyz13总方程：1.热传导方程方程： 2.初始条件：T0=323K 3.边界条件：222222()eTTTTckQtxyz44000-()()ezTkh TTTTqz( )QHc T dT148.材料参数在温度场的模拟计算中，主要考虑材料的热物性参数如：熔点、密度、比热容和热导率等。在该模拟中，基板材料为45号钢，加工的粉体材料为316不锈钢粉末。1516四、ANSYS模拟结果设定激光光斑半径r=0.06mm，设定激光的扫描速度为v=100mm/s，激光的功率P选取为150W、200W、250W、300W。图为 SLM 成形过程

6、中第三条扫描道中心点（点 2）的温度场分布情况。17P=150WP=200WP=250WP=300W181.在SLM的加工过程中，只有当具有稳定几何特征的熔池形成时，才能得到综合力学性能良好的成形件。因此，为了使相邻层之间牢固粘结，熔池的深度需在合理范围内略大于单层粉层的厚度。2.当激光功率过高时，粉末吸收了大量的激光能量，热量累积严重，导致成形件的显微组织粗化现象严重，综合力学性能下降。同时，熔池由于温度过高而生成过多的液相，熔池存在时间也明显延长，这将导致熔池内部粘度显著降低，熔池在毛细张力的作用下极易产生飞溅，加剧了“球化效应”等缺陷。19五、实验效果无基板状况下，对316不锈钢粉末扫描两层，在成型缸内观察打印