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基金项目
:国家科技型中小企业创新基金(
项目编号
:05C26214201059)
收稿日期:2007212214 第
28卷第
3期 应 用 激 光
Vol.28,No.3
2008年
6月APPLIEDLASER
June2008
选区激光熔化成形温度场模拟与工艺优化3
章文献
, 史玉升
, 李佳桂
, 伍志刚
(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室
,湖北武汉
430074)
提要 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。
关键词 选择性激光熔化
; 有限元模型
; 熔池
; 温度场
SimulationofTemperatureFieldforOptimizationofProcessingParameters
ofSelectiveLaserMeltingMetalPowders
ZhangWenxian,
ShiYusheng,
LiJiagui,
WuZhigang
(
StateKeyLaboratoryofMaterialProcessingandDieandMouldTechnology,HuazhongUniversity
ofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430074
,China)
Abstract
Thephenomenasuchasballingeffect,warp,anddistortionmayoccurintheprocessofselectivelasermelting
(
SLM)
metalpowders.Thesedifficultiescanbesolvedbyoptimizingtheprocessingparametersduringtheprocessforaspecial
metalpowders.Tooptimizetheparameters,thetemperaturefieldandmoltenpooldimensionsduringtheSLMprocessare
modeledandsimulatedwithANSYSfiniteelementmethod.Theanalysisresultsaregivenandoptimumprocessingparameters
areverifiedbyformingcomplexstructurelatticeironpartswiththeSLMtechnology.
Keywords
Selectivelasermelting;
finiteelementmodel;
moltenpool;
temperaturefield
选择性激光熔化(
selectivelasermelting,
SLM)快速成形技术可以直接成形出高精度、综合
机械性能好的金属零件。该技术基于离散
-堆积成
形原理
,根据零件
CAD模型直接成形三维实体
,成
形过程中扫描选区内的金属粉末在激光辐照下完全
熔化而获得近
100%致密的金属零件[1]
。目前
,国
外应用
SLM快速成形技术可直接制造模具、工具、
生物移植物等
,它们涉及机械制造、航空航天、生物
医学等领域
,具有很好的应用前景。
对于特定粉末材料的选择性激光熔化快速成形
过程
,其成形参数直接影响成形过程的顺利进行及成
形零件的致密度、表面质量、成形精度等性能。因此
,
在成形工艺研究过程中要对成形工艺参数进行优化。
然而
,目前
SLM快速成形技术的成形工艺参数的优
化主要在实验及经验的基础上进行总结
,缺少系统科学的优化理论来指导
,不利于
SLM快速成形技术的
机理及工艺研究。为此开展了有限元模拟
SLM快速
成形过程的相关研究
,目前主要有以下人员从事这方
面的研究。
ChildsT.H.C等人对无基板情况下的粉
末单扫描成形截面形状以及面扫描成形层质量进行
有限元模拟[2-5]
。
ShiomiM.等人应用有限元法模拟
分析了无基板情况下的粉末面扫描成形层的二维温
度场与残余应力[6]
。
OsakadaK等人也对无基板情
况下的粉末面扫描时单层固化成形的应力分布应用
有限元模拟进行分析
,并提出解决单层固化成形时缺
陷的方法[7,8]
。因为以上研究主要是针对无基板情况
下激光熔化过程中的单线扫描和单面扫描的粉床温
度场和应力场的有限元模拟
,其主要目的是向无基板
下的选择性激光熔化快速成形技术方向发展。然而
对于在基板上粉末的选择性激光成形过程的熔池及
—
581—温度场的有限元模拟缺少分析。金属粉末的选择性激光熔化快速成形过程中存在球化、翘曲、变形等难
题
,除成形材料的成分要求严格外
,优化成形工艺参数也是解决上述难题的重要手段。成形参数影响成形过程中的温度场、熔池宽度、深度
,因此对成形过程
的温度场、熔池的有限元模拟可以作为优化成形工艺
参数的工具。为此
,本文针对在不锈钢基板上选择性
激光熔化
-300目水雾化铁粉的成形过程中的熔池
及温度场的有限元模拟
,预测并优化
SLM成形工艺
参数
,并在
HRPM2
IISLM设备上用模拟出的较优工
艺参数成形出复杂的网状金属零件。
1 有限元模型
金属粉末对
1060nm、
1090nm等较短波长的激
光吸收效率高
,吸收足够高的能量能使粉末完全熔
化并形成溶池。由于激光光斑尺寸小且粉末粒度
小
,所以粉末熔化成形过程中的熔池尺寸很小且存
在时间极短(一般为
0.5～
25ms)[9]
。粉末颗粒之
间、颗粒与粉床之间的热传导、粉末与空气间的热对
流和热辐射影响温度分布[10]
,为此作以下约定
:(
1)
金属粉末初始环境温度为
298K(
25℃)
;(
2)模拟过程
中激光束间歇式以速度
v扫描粉床平面
;(
3)材料热
物性参数随温度而变化
,Fe的热物性参数如表
1;(
4)
模拟单元热载荷以热流密度加载
,热流密度服从正态
分布规律(公式
1)
;(
5)计算温度场分布要考虑相变潜
热
,相变潜热以不同温度下的焓值表示(公式
3)。
热流密度为
:
I=2
AP
π
r2
b
exp
-2
r2
r2
b(
1)
平均热流密度为:
I
m=1
π
r2b∫r
b
0I(2π
r)
dr
=2π
π
r2
b∫r
b
02
AP
π
r2
bexp-2
r2
r2
brdr=0
.865
AP
π
r2
b(
2)
式中
,A为材料热吸收率
;
P为激光功率
;
r
b为
有效光斑半径。
焓值为
:
H=∫
ρ
C(
T)
dT(
3)
式中,ρ
为密度
;
C(
T)为比热容。1.1传热数学模型
根据能量守恒定律
,熔池与周围空气和粉床的
热交换过程用热传导方程(
4)表示[11,12]
:
λ
e92
T
9
x2+92
T
9
y2+92
T
9
z2+
q
c+
q
g=ρ
C9
T
9
t(
4)式中λ
e为粉末有效的导热系数
,
T为温度
,
t为
时间
,ρ
为粉末压实密度
,
C为材料比热容
,
q
c为材
料向空气散失的热量
,
q
g为激光功率密度。
假设
:
t=0时粉床温度为初始值
T
0;
t>0时
,金
属粉末表面单位面积所吸收激光的热量
,等于该表
面向粉末内部传入的热量、对流换热与表面辐射散
失的各项热量之和。则有
:
T(
x,y,z,0)
=T
0 其中(
x,y,z)∈
D(
5)
λ
e9
T
9
n-
q+
h(
T-
T
0)+σε
(
T4
-
T4
0)=0(
6)
式中
,λ
e为金属粉末有效导热系数
;
T为
t时刻
的材料表面温度
;T
0为初始温度(环境温度)
;
h是对
流换热系数
;σ
为
Stefan2
Boltzmann常量
,其值为
5.607×
10-8
W/m2
・
K4
;ε
为热辐射系数。
1.2粉末热物性参数与工艺条件
铁与温度相关的热物性参数有温度
T、导热系
数λ
、比热容
C、密度ρ
,具体参数如表
1所示[13]
:表
1
Fe的热物性参数
T/Kλ
/(
W・
m-1
・
K-1
)
C/(
J・
kg-1
・
K-1
)ρ
/(
kg・m-3
)
273
573
873
1173
1473
177374.7
55.5
38.2
28.2
32.2
32.2435.1
552.3
753.1
656.9
640.2
836.87870
7770
7700
7620
7630
7640
选择性激光熔化
-300目水雾化铁粉成形过程
的实验用到的参数是激光功率
P、光斑直径<、扫描
速度
v、铺粉层厚
d和分组变向的扫描策略(图
1)
,
模拟实验参数如表
2所示。
图
1 分组变向扫描策略
表
2
SLM实验工艺参数
P/WФ
/mm
v/(
mm・
s-1
)
d/mm
95
95
700.030
0.030
0.030100.0
50.0
50.00.1
0.1
0.1
由于金属粉末颗粒之间存在间隙
,采用
Gusa2
rov模型来计算金属粉末颗粒的有效导热系数
λ
e[14]
。另外
,金属粉末材料的热吸收率受激光波
—
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