水雾化铁粉的DMLS温度场模拟及实验研究_周亮

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收稿日期： 2012 － 11 － 03 作者简介： 周 亮（ 1986 － ） ， 男， 助理实验师， 主要研究方向为先进制造技术 。
第6 期
周
亮， 胡增荣： 水雾化铁粉的 DMLS 温度场模拟及实验研究
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2 p － 2x2ω+2y2 （ 1） 2e πω 0， 0 ） 点引入一个以速率 v 沿 x 轴 对于激光束的移动， 如图 3 所示， 假设 t = 0 时刻在坐标系 xyz 中的 O（ 0 ， y ） 。 为便于分析， 正方向匀速运动的激光束， 其功率密度为 q（ x， 建立坐标原点位于光斑中心， 且与激光束一 q（ x， y） = y' = y， z' = z， 起运动的动坐标系 x'y'z' 。在图 3 所示的情形下， 动坐标系可用 x'yz 表示。 静坐标系的 x 与动坐 标系的 x' 的关系为 x = x' + vt。
（ a） v = 50mm / s 图5
（ b） v = 25mm / s A， B， C 三点温度 时间变化曲线
（ c） v = 5mm / s
（ a） v = 50mm / s 图6
（ b） v = 25mm / s
（ c） v = 5mm / s
烧结进行到 B 点时的烧结深度方向温度分布
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亮， 胡增荣： 水雾化铁粉的 DMLS 温度场模拟及实验研究
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表2 T/K 273 473 573 673 773 873 1 073 K /［ W / （ m·K） ］ 74． 7 62． 1 55． 55 49． 2 43． 0 38． 2 29． 4
材料参数的热物性 T/K 1 173 1 273 1 373 1 473 1 573 1 773 K /［ W / （ m·K） ］ 28． 2 29． 3 32． 2 32． 2 32． 2 32． 2 C /［ J / （ kg·K） ］ 656． 9 569． 0 606． 7 640． 2 736． 4 836． 8
第 32 卷第 6 期 2012 年 12 月
苏 州 大 学 学 报（ 工 科 版） JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY（ ENGINEERING SCIENCE EDITION）
Vol. 32 No． 6 Nov． 2012
文章编号：1673 － 047X（ 2012 ） － 06 － 0050 － 09
表4 模型 W240 W215 W180 试样材料 铁粉 铁粉 铁粉 模型尺寸 10mm × 6mm × 2mm 10mm × 6mm × 2mm 10mm × 6mm × 2mm 不同激光功率模拟数据表 激光功率 / W 240 215 180 扫描速度 / （ mm / s） 50 50 50 模拟的最高温 / ℃ 2 337 1 880 1 542
发生着一系列的物理和化学变化， 最终将粉末的聚集体转变为 实体零件。在整个烧结过程中一直伴随着粉床上表面和外部环 境气体的热辐射和对流、 粉末颗粒之间的热传导、 激光对粉末表 并且不同成分的金属粉末烧结时这些相关的参 面的热辐射等， 数也有所不同， 本文的模拟和实验采用水雾化铁粉进行 。
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模拟准备
图1
30． 3 ～ 74． 2 3． 7 × 10 3 7． 46 × 10 3 0． 45 工艺参数
热吸收率 ρ0
激光功率 P / W 光斑半径 ω / m 扫描速度 v / （ m / s） 铺粉厚度 d / mm 粉床温度 T0 / ℃
215 （ 可调） 0． 2 × 10 － 3 0． 05 （ 可调） 2 20
表3 模型 V50 V25 V5 试样材料 铁粉 铁粉 铁粉 模型尺寸 10mm × 6mm × 2mm 10mm × 6mm × 2mm 10mm × 6mm × 2mm 不同激光扫描速度模拟数据表 激光功率 / W 215 215 215 扫描速度 / （ mm / s ） 50 25 5 模拟的最高温 / ℃ 1 880 2 491 2 963
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苏州大学学报（ 工科版）
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SOL KSTEP KINC TIME （ 1 ） TIME （ 2 ） NOEL NPT COORDS JLTYP
此时此刻要求输出的变量的解 分析步数 增量步数 当前分析步时间 当前总时间 元素号 积分点编号 坐标值 热流密度函数类型 JLTYP Flux type 0 1 11 12 13 14 15 16 Surfacebased flux BFNU S1NU （ SNEGNU for heat transfer shells） S2NU （ SPOSNU for heat transfer shells） S3NU S4NU S5NU S6NU
DMLS 传热示意图
为了模拟 DMLS 温度场， 在 ABAQUS 模拟软件中建立 10mm × 6mm × 2mm 模型， 利用 DC3D8 六面体八节 点热单元对有限元模型进行网格划分。 为便于比较， 在模型上表面中线上前、 中、 后三个位置取四点， 如图 2 所示， 比较不同烧结参数下， 整个烧结过程中其温度随时间变化的情况 。 在烧结中一般近似认为激光束是基模高斯光束 （ TEM00 ） 。功率为 P 、 光斑半径为 ω 的基模高斯光束， 其 功率密度分布可表示为
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（ a） v = 50mm / s 图7
（ b） v = 25mm / s D 点温度 时间变化曲线
（ c） v = 5mm / s
由图 5 ～ 图 7 可见， 在同一扫描速度下， 随着时间的推移， 温度峰值也是逐渐升高的， 这是由于热量累积 。 ， ， 造成的 并且烧结深度随着激光烧结扫描速度的降低而增大 这时因为扫描速度越低 同一点单位时间内得 到的能量就越多。 从不同扫描速度条件下 D 点的温度 时间变化曲线 （ 图 7 ） 可以看出， 极值温度是随着扫描速度的下降而 升高的， 扫描速度 v = 5mm / s 时 D 点的温度 时间曲线与前两种情况明显不同。 前两种情况都是在过了极值 之后， 温度一直随时间的延续而下降， 而当扫描速度为 5mm / s 时， 过了极值后有一个短暂的下降过程， 然后又 逐渐上升， 这是因为扫描速度慢时扫描路径上单位长度输入的热量大量增加 ， 热传导过来的热量大于传出和 散发出去的热量使得该点的温度逐渐上升 。 B、 C 三点温度 时间变化曲线， 表 4 为不同激光功率模拟数据表， 图 8 为 A、 图 9 为不同激光功率烧结进 行到 B 点时的烧结深度方向温度分布； 图 10 为不同功率下 D 点温度 时间变化曲线。
水雾化铁粉的 DMLS 温度场模拟及实验研究
周 亮， 胡增荣
（ 苏州大学机电工程学院， 江苏 苏州 215021 ）
要： 金属粉末激光直接烧结（ DMLS） 成型技术， 是快速成型技术之一， 主要原理是利用高功率激 光， 直接逐层按零件截面形状将金属粉末熔化再凝结成三维实体 ， 这也是实现快速制造的一种最有 摘 潜力的技术。DMLS 过程中金属粉末不断被高能激光熔化再凝固 ， 势必在制件的各部位形成不同的 温度， 制件的温度场分布直接影响成型的质量 ， 而 DMLS 过程的温度场分布又难以进行有效的实际 测量， 有限元模拟和实验验证相结合是一种较为有效的方法 。 模拟和实验的结果较为一致， 说明有 限元模拟能够有效预测 DMLS 温度场分布。 关键词： 铁粉； DMLS； 温度场； 有限元模拟 中图分类号： TM753 文献标识码： A
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引
言
DMLS ） 技术是快速成型技术的一种， 金属粉末激光直接烧结 （ Direct Metal Laser Sintering， 国内外的报道 显示已经有多家公司可以进行多种材料的小型金属件的直接烧结制造 ， 但实用大型结构件的金属粉末激光烧
［1 ］ 结成型目前只有我国北京航空航天大学做出了较好结果 。由于 DMLS 工艺本质上属于热加工， 烧结环境很 难在长时间的烧结过程之中保持一致 ， 总是会出现这样那样的缺陷， 所以研究烧结温度分布规律对指导指定 ［2 ］ 并进行了相关的实验研究。 烧结工艺具有重要作用 。本文对 DMLS 过程温度场进行了有限元模拟， DMLS 过程实质上就是金属粉末在激光照射作用下的快速熔化和凝固过程 。 资料表明对于金属粉末而 ［3 － 4 ］ 。 言， 液相烧结（ LPS） 机制是激光烧结的唯一可行机制 ［5 ］ DMLS 是一个非常复杂的热处理过程， 如图 1 所示 ， 其间
C /［ J / （ kg·K） ］ 435． 1 518． 8 552． 3 602． 5 661． 1 753． 1 832． 6
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模拟结果及分析
采用不同工艺参数进行模拟， 研究在不同工艺参数下的烧结温度场分布及烧结深度 。首先进行单道烧结 B、 C 三点温度 时间变化曲线， 图 5 为 A、 图 6 为烧结进行到 B 的模拟。表 3 为不同激光扫描速度模拟数据表 ， 点时的烧结深度方向温度分布， 图 7 为 D 点温度 时间变化曲线。
图2
金属粉末激光直接烧结三维有限元模型
图3
激光坐标主附坐标系
其在 ABAQUS 中的加载是依照表 1 所示工艺及材料参数通过用户子程序 DFLUX 来实现的。
表1 用于数值模拟的材料参数和工艺参数 材料参数 粒度 / μm
3 粉末压实密度 ρ / （ kg / m ） 3 粉末材料密度 P p / （ kg / m ）
DFLUX 程序结构如下： SUBROUTINE DFLUX（ FLUX， SOL， KSTEP， KINC ， TIME ， NOEL， NPT， COORDS， 1 JLTYP， TEMP， PRESS， SNAME ） C INCLUDE 'ABA_PARAM． INC' C DIMENSION FLUX（ 2 ） ， TIME （ 2 ） ， COORDS（ 3 ） ， CHARACTER* 80 SNAME user coding to define FLUX（ 1 ） and FLUX（ 2 ） RETURN END 相关参数说明如下： DFLUX（ 1 ） DFLUX（ 2 ） 用户自定义的热流密度函数 用户自定义的热流密度变化率函数