选择性激光烧结过程温度场数值模拟

2013-07-31 14:34:19来源: 21ic 关键字:选择性激光烧结  温度场  数值仿真
1 SLS 成型原理及特点

SLS(Selective Laser Sintering) 成型原理[1]:利用 JY-ⅢA 型连续式 CO2 激光器为能量源,成型开始时铺粉滚筒将粉均匀地铺在加工平台上,激光束在计算机控制下以一定速度和能量密度扫描,激光束扫过之处粉末烧结成一定厚度的实体片层,未扫过的地方仍是松散粉末。制成第一层后,活塞下降一个与铺粉厚度相同的距离,再铺第二层粉末,重复该过程,一个三维实体就可以制造出来。SLS 成型系统简图如图1所示:


图1SLS成型系统
Fig.1 Schematic of selective laser sintering process

2 数学模型

有关快速成型过程的数值模拟,目前已有的报道为点扫描的一维传热[2],其误差比较大。作者结合自己所用的线扫描系统,为使计算更接近实际,采用了二维有限元模型。

二维非定常热传导能量平衡方程为[3,4]

(1)

所用到的热物性参数之间的关系如下列各式所示[2,4]

ρs1ρ1+(1-φ1ρ)(2)

ε=(ρs-ρ)/ρ(3)

cp=w1cp1+(1-w1)cp2(4)

w11ρ1/〔φ1ρ1+(1-φ12〕(5)

k=kg(1-ε)/(kg/ks+Ψ)(6)

Ψ=0.193 ε1.854(7)

(8)

(9)

d/D=1-(1-φ1)1/3(10)

式中 T 为摄氏温度;t 为时间;ρ 为粉床平均密度;cp 为粉床比热;k 为粉床热导率;φ 为体积系数;x 为粉层厚度方向;y 为激光扫描方向;ε 为孔隙率;w 为质量系数;d 为涂层厚度;D 为颗粒直径。下标 1 为树脂;2 为实体颗粒;s 为固体;g 为空气。均为国际单位.

3 边界条件

所选用的成型机,能保证对任何形状的产品实现变长线等能量密度输入。当扫第一层时,最初位置为粉末;当扫过此位置后,即为固、 液、 粉混合体。由于烧结过程中,液体区域及其物性参数有一定的随机性,所以程序将每层分成两个区域。线扫过的区域为固体区域,而与线接触或待接触区域为粉末区域。故有限元网格的划分以扫描线宽及铺粉厚度为控制参数。第一层底部为粉末与工作平台的热传导,扫描线与粉末接触的部位为定常热流输入,其余部位为与空气的对流换热(换热系数为包含辐射的综合系数)。对两层以上的烧结过程,层与层之间的热传导用定义内部单元的方法来实现,如图 2 所示。实际上,边界条件可简化为两类: ① 定常热流在粉层表面随位置不同而加载;② 空气与除热流加载单元外的边界之间的对流换热。


图2 烧结过程边界变化
Fig.2 Boundary condition varying with sintering process

[1] [2]

关键字:选择性激光烧结  温度场  数值仿真

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0731/article_7617.html
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