SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)翹曲變形分析及修正

SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)翹曲變形分析及修正摘要：SLM成形（即選擇性激光熔化，SelectiveLaserMelting）是近年來應(yīng)用廣泛的一種快速成型技術(shù)，具有高精度、高效率等優(yōu)點(diǎn)，可制備復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。然而，由于SLM成形過程中熱處理過程和固化過程相互影響，容易導(dǎo)致成型結(jié)構(gòu)的變形。本文以SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其翹曲變形進(jìn)行了分析，并提出修正方法。通過建立有限元模型，探究了懸垂結(jié)構(gòu)的變形原因，并研究了材料特性、熱處理過程等因素對(duì)翹曲變形的影響，并提出了優(yōu)化的成形參數(shù)和熱處理方式。本文的研究對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化SLM成形工藝具有重要意義。關(guān)鍵詞：SLM成形；懸垂結(jié)構(gòu)；翹曲變形；有限元模型；熱處理一、引言SLM成形是一種基于CAD模型的快速成形技術(shù)，通過激光束熔化金屬粉末的方式進(jìn)行零件制造。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，SLM成形具有制造速度快、能耗低、過程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域。然而，SLM成形過程中熱處理和固化過程相互影響，容易導(dǎo)致成型結(jié)構(gòu)的變形，這對(duì)于制造精度和零件的力學(xué)性能造成影響。懸垂結(jié)構(gòu)是一種典型的SLM成形結(jié)構(gòu)，由于其特殊的形狀和長跨度，容易出現(xiàn)翹曲變形。因此，對(duì)于SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析和研究，對(duì)于提高SLM成形的制造精度和零件的力學(xué)性能具有重要意義。本文以SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，從懸垂結(jié)構(gòu)的材料特性、成形參數(shù)和熱處理方式等方面進(jìn)行分析研究，并提出解決翹曲變形的方法。二、懸垂結(jié)構(gòu)的翹曲變形分析懸垂結(jié)構(gòu)簡單來說就是懸掛在空中的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在SLM成形中，懸垂結(jié)構(gòu)的制造需要考慮到熱處理和固化過程的影響。圖1懸垂結(jié)構(gòu)示意圖2.1懸垂結(jié)構(gòu)的變形原因懸垂結(jié)構(gòu)的變形主要由兩個(gè)方面的因素所導(dǎo)致：材料熱膨脹和殘余應(yīng)力。材料熱膨脹是指在熱處理過程中，由于材料受熱而導(dǎo)致體積膨脹的現(xiàn)象。在SLM成形中，材料熱膨脹是由于激光束照射將金屬粉末熔化成液態(tài)，然后快速冷卻形成固態(tài)而引起的。由于固體的體積小于液體，當(dāng)材料熔化成液態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生體積增大的現(xiàn)象，形成熱膨脹的應(yīng)力。而在冷卻過程中，材料體積會(huì)減小，導(dǎo)致低溫區(qū)域的收縮應(yīng)力。這些應(yīng)力會(huì)對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致翹曲變形。除此之外，還有一個(gè)重要的因素是殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力是由于SLM成形中因材料熱膨脹和冷卻過程中固定局部區(qū)域所形成的應(yīng)力。這些應(yīng)力保留在固體中，雖然它們沒有立即破壞固體，但它們會(huì)影響結(jié)構(gòu)的形狀。殘余應(yīng)力可以通過調(diào)整熱處理過程的溫度和時(shí)間來控制。2.2成形參數(shù)對(duì)翹曲變形的影響在SLM成形中，成形參數(shù)會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)的性能和變形程度。研究表明，成形參數(shù)對(duì)SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)的翹曲變形有很大的影響。成形參數(shù)主要包括激光功率、掃描速度、層厚以及激光束直徑等。其中激光功率和掃描速度是影響熱輸入的主要因素，層厚和激光束直徑的影響主要是通過減小成形過程中的應(yīng)力來達(dá)到目的。當(dāng)激光功率和掃描速度增加時(shí)，懸垂結(jié)構(gòu)的變形程度會(huì)加劇。這是因?yàn)榧す夤β屎蛼呙杷俣鹊脑黾訒?huì)導(dǎo)致材料的溫度升高，從而增加了懸掛結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱膨脹應(yīng)力。因此，在SLM成形中應(yīng)選擇合適的激光功率和掃描速度以減少懸垂結(jié)構(gòu)的變形。2.3熱處理對(duì)翹曲變形的影響SLM成形后，懸垂結(jié)構(gòu)需要經(jīng)過熱處理來消除殘余應(yīng)力。通過研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)整熱處理過程可以減小懸垂結(jié)構(gòu)的翹曲變形。熱處理的兩種方法分別是線性熱處理和循環(huán)熱處理。線性熱處理是指將懸垂結(jié)構(gòu)通過升溫到某個(gè)溫度，保持一段時(shí)間后再冷卻。而循環(huán)熱處理是指在一定溫度范圍內(nèi)交替升溫降溫。研究表明，循環(huán)熱處理可以更好地消除殘余應(yīng)力，從而減小懸掛結(jié)構(gòu)的變形量。三、修正方法針對(duì)懸垂結(jié)構(gòu)的變形問題，本文提出了以下修正方法：（1）減小激光功率和掃描速度，控制熱輸入（2）調(diào)整熱處理參數(shù)，選擇較優(yōu)的熱處理方式和參數(shù)（3）優(yōu)化成形參數(shù)，減少懸垂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（4）通過調(diào)整材料性能來控制懸垂結(jié)構(gòu)的變形四、結(jié)論本文以SLM成形懸垂結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)其翹曲變形進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了解決方案。通過建立有限元模型，分析了懸垂結(jié)構(gòu)的變形原因，并研究了成形參數(shù)和