混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備研制及仿真分析

混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備研制及仿真分析1.引言1.1主題背景介紹非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)作為快速成型技術(shù)的一種，近年來(lái)在航空航天、汽車(chē)制造、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。該技術(shù)以粉末為原料，通過(guò)激光束的燒結(jié)作用，使粉末材料在局部區(qū)域熔化并粘結(jié)，最終形成三維實(shí)體。混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)在此基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)供粉方式，提高了成型效率和成型質(zhì)量。隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的激光燒結(jié)成型設(shè)備在成型速度、成型精度和材料利用率等方面已難以滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。因此，研究混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備的研制及仿真分析，具有重要的理論和實(shí)際意義。1.2研究意義與目的本研究旨在解決傳統(tǒng)非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備在成型速度、成型精度和材料利用率等方面存在的問(wèn)題，提高非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。具體研究意義如下：提高成型速度：混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末材料的連續(xù)、高效供應(yīng)，從而提高成型速度，縮短生產(chǎn)周期。提高成型精度：優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低成型誤差，提高成型件的尺寸精度和表面質(zhì)量。提高材料利用率：混合供粉式供粉方式有助于提高粉末材料的利用率，減少材料浪費(fèi)。促進(jìn)非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用：提高設(shè)備性能，拓展其在航空航天、汽車(chē)制造、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。1.3研究方法與技術(shù)路線本研究采用以下方法和技術(shù)路線：文獻(xiàn)綜述：查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)以及存在的問(wèn)題。設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：結(jié)合混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新型設(shè)備，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性。設(shè)備性能測(cè)試與分析：對(duì)研制的新設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試，分析其成型速度、成型精度、材料利用率等指標(biāo)。仿真分析：建立仿真模型，分析設(shè)備在不同工況下的成型效果，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。設(shè)備優(yōu)化與改進(jìn)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)和仿真分析結(jié)果，對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，提高其整體性能。2.非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)概述2.1非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)基本原理非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)（LaserSinteringofNon-Metals，簡(jiǎn)稱LSNM）是一種基于粉末床的增材制造技術(shù)。該技術(shù)主要利用激光束作為熱源，對(duì)粉末材料進(jìn)行局部加熱，使其溫度超過(guò)粉末的熔點(diǎn)，粉末顆粒在激光的作用下發(fā)生燒結(jié)，形成固體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的制造方法相比，非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)具有設(shè)計(jì)自由度高、生產(chǎn)周期短、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)?；驹砣缦拢?.預(yù)處理：首先將CAD模型轉(zhuǎn)換為STL文件，然后通過(guò)切片軟件對(duì)模型進(jìn)行分層處理，得到每一層的輪廓信息。2.建立粉末層：在成型缸內(nèi)均勻鋪撒一層粉末材料，粉末層厚度通常為0.05-0.1mm。3.激光燒結(jié)：激光束按照分層輪廓信息在粉末層上掃描，局部加熱粉末顆粒，使其燒結(jié)成固體。4.成型缸下降：完成一層燒結(jié)后，成型缸下降一個(gè)粉末層厚度，重新鋪撒粉末層，進(jìn)行下一層的燒結(jié)。5.后處理：完成所有層的燒結(jié)后，取出零件，進(jìn)行去粉、固化等后處理，得到最終產(chǎn)品。2.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)自20世紀(jì)90年代以來(lái)，得到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。目前，該技術(shù)在以下幾個(gè)方面取得了顯著進(jìn)展：材料研究：國(guó)內(nèi)外研究者已成功開(kāi)發(fā)出多種適用于非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)的粉末材料，如尼龍、聚酰胺、聚碳酸酯、陶瓷等。設(shè)備研制：國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)已推出商品化的非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備，如德國(guó)的EOS、美國(guó)的3DSystems等。應(yīng)用領(lǐng)域：非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)已成功應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、生物醫(yī)學(xué)、建筑、文化創(chuàng)意等多個(gè)領(lǐng)域。發(fā)展趨勢(shì)：1.材料多樣化：隨著材料研究的深入，未來(lái)將有更多類型的非金屬粉末材料應(yīng)用于激光燒結(jié)成型技術(shù)。2.設(shè)備性能提升：設(shè)備制造商將持續(xù)優(yōu)化設(shè)備性能，提高成型速度、精度和穩(wěn)定性。3.應(yīng)用拓展：非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用將得到拓展，為各行業(yè)提供定制化的解決方案。4.仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合：通過(guò)仿真分析，優(yōu)化成型工藝參數(shù)，提高成型質(zhì)量和效率。3.混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備研制3.1設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備的設(shè)計(jì)理念源于對(duì)非金屬粉末材料高效、高精度加工的需求。在設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們重點(diǎn)關(guān)注以下三個(gè)方面：粉末供給系統(tǒng)：設(shè)計(jì)采用雙料斗混合供粉方式，實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)粉末的按比例混合。此系統(tǒng)包括螺旋輸送器、振動(dòng)料斗、混合室等部件，確保粉末流暢、均勻供給。激光燒結(jié)系統(tǒng)：選用高性能激光器，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)非金屬粉末的燒結(jié)。同時(shí)，采用可調(diào)式激光掃描頭，以滿足不同零件的加工需求。成型室及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)：成型室采用密封設(shè)計(jì)，防止粉末污染。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括X、Y、Z軸以及旋轉(zhuǎn)軸，采用高精度伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)成型過(guò)程中的精確運(yùn)動(dòng)控制。設(shè)備的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括以下步驟：設(shè)計(jì)與制造各部件，確保其滿足性能要求。對(duì)設(shè)備進(jìn)行組裝、調(diào)試，保證各系統(tǒng)之間的協(xié)同工作。開(kāi)發(fā)設(shè)備控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)成型過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)節(jié)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行初步性能測(cè)試，確保其基本性能滿足要求。3.2設(shè)備性能測(cè)試與分析為驗(yàn)證混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備的性能，我們對(duì)設(shè)備進(jìn)行了以下測(cè)試：粉末供給系統(tǒng)測(cè)試：測(cè)試混合供粉的均勻性、流動(dòng)性等參數(shù)，確保粉末供給的穩(wěn)定性和可靠性。激光燒結(jié)性能測(cè)試：通過(guò)加工標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)試激光燒結(jié)的能量分布、燒結(jié)層厚度等參數(shù)，評(píng)價(jià)設(shè)備燒結(jié)性能。成型精度測(cè)試：通過(guò)加工復(fù)雜形狀的零件，測(cè)量其尺寸精度、表面粗糙度等指標(biāo)，評(píng)價(jià)設(shè)備成型精度。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)備在粉末供給、激光燒結(jié)和成型精度方面均表現(xiàn)出良好的性能，能夠滿足非金屬激光燒結(jié)成型的高效、高精度需求。3.3設(shè)備優(yōu)化與改進(jìn)針對(duì)設(shè)備性能測(cè)試中出現(xiàn)的問(wèn)題，我們進(jìn)行了以下優(yōu)化與改進(jìn)：優(yōu)化粉末供給系統(tǒng)：改進(jìn)混合室結(jié)構(gòu)，提高粉末混合均勻性；調(diào)整螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，提高粉末流動(dòng)性。調(diào)整激光燒結(jié)參數(shù)：優(yōu)化激光功率、掃描速度等參數(shù)，提高燒結(jié)質(zhì)量。提高成型精度：改進(jìn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制算法，降低成型誤差；優(yōu)化成型工藝參數(shù)，提高零件表面質(zhì)量。經(jīng)過(guò)優(yōu)化與改進(jìn)，混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備的性能得到了進(jìn)一步提升，為后續(xù)仿真分析及實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。4.仿真分析4.1仿真模型建立在混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備研制的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，提高成型質(zhì)量和效率，本章對(duì)非金屬激光燒結(jié)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。首先，基于有限元分析軟件，建立了非金屬激光燒結(jié)的數(shù)學(xué)模型和物理模型。該模型主要考慮了粉末材料的吸收、散射、熱傳導(dǎo)、熔化、凝固等物理過(guò)程。仿真模型中，粉末層厚度、激光功率、掃描速度、粉末材料屬性等參數(shù)均與實(shí)際設(shè)備一致。通過(guò)網(wǎng)格劃分，對(duì)模型進(jìn)行離散化處理，以便進(jìn)行數(shù)值求解。此外，為了提高仿真精度，還引入了自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，以實(shí)時(shí)調(diào)整網(wǎng)格密度，保證計(jì)算精度。4.2仿真結(jié)果分析在仿真模型建立完成后，分別對(duì)激光燒結(jié)過(guò)程中不同參數(shù)下的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、熔池形態(tài)等進(jìn)行了仿真計(jì)算。結(jié)果表明：隨著激光功率的增加，粉末材料熔化區(qū)域擴(kuò)大，熔池深度增加，但過(guò)高的激光功率會(huì)導(dǎo)致成型件表面出現(xiàn)球化現(xiàn)象，降低成型質(zhì)量。掃描速度對(duì)成型件表面質(zhì)量和成型效率有顯著影響。掃描速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致粉末材料熔化不充分，成型件出現(xiàn)裂紋；掃描速度過(guò)慢，成型時(shí)間延長(zhǎng)，生產(chǎn)效率降低。粉末層厚度對(duì)成型件的成型精度和力學(xué)性能有一定影響。粉末層厚度較大時(shí)，成型件內(nèi)部應(yīng)力增大，易出現(xiàn)翹曲變形。通過(guò)仿真分析，可以為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。4.3仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，本章對(duì)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用與仿真模型相同的設(shè)備、材料和工藝參數(shù)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。對(duì)比結(jié)果表明，仿真模型能夠較好地預(yù)測(cè)非金屬激光燒結(jié)過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等的變化趨勢(shì)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的一致性。但在某些局部細(xì)節(jié)方面，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在一定的差異，這可能是由于仿真模型中未能充分考慮實(shí)際過(guò)程中的某些復(fù)雜因素所致?？傮w來(lái)說(shuō)，仿真分析在混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備研制中具有較高的參考價(jià)值，可以為實(shí)際生產(chǎn)提供有益的指導(dǎo)。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化仿真模型，提高其預(yù)測(cè)精度。5結(jié)論5.1研究成果總結(jié)本研究圍繞混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備的研制及仿真分析，取得了一系列的研究成果。首先，在設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方面，我們根據(jù)非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)的特點(diǎn)，成功研制出混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備。該設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有創(chuàng)新性，實(shí)現(xiàn)了粉末的混合供粉，提高了粉末的利用率，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，設(shè)備在成型過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性，成型件質(zhì)量高，滿足了非金屬激光燒結(jié)成型技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的需求。其次，在設(shè)備性能測(cè)試與分析方面，我們對(duì)所研制的設(shè)備進(jìn)行了全面的性能測(cè)試，分析了設(shè)備在不同參數(shù)下的成型效果。通過(guò)優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，提高了成型速度和成型精度，使得設(shè)備在滿足高效率的同時(shí)，保證了成型件的質(zhì)量。在仿真分析方面，我們建立了準(zhǔn)確的仿真模型，并通過(guò)仿真結(jié)果分析，揭示了混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型過(guò)程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等關(guān)鍵參數(shù)的分布規(guī)律。此外，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真模型的正確性，為設(shè)備優(yōu)化與改進(jìn)提供了理論依據(jù)。5.2存在問(wèn)題與展望盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。首先，混合供粉式非金屬激光燒結(jié)成型設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，粉末的磨損和污染問(wèn)題仍然較為嚴(yán)重，影響設(shè)備的