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分析熔于一冷雙組分金屬粉末層與恒熱流 美國(guó)，MO65211，哥倫比亞州，哥倫比亞大學(xué)，機(jī)械與航天工程系 陳鐵兵,張鈺 2005年2月1日收到，2005年7月18日接受，2005年10月11日在網(wǎng)上發(fā)表 摘要： 熔煉一冷雙組分金屬粉末層進(jìn)行調(diào)查分析. 粉末床考慮的是一個(gè)混合兩種金屬粉末的顯著不同的熔點(diǎn). 收縮所致熔化,是考慮到在物理模型. 溫度分布在液體及固體階段得到利用精確解與積分近似解, 分別. 影響孔隙率,斯特凡數(shù)目,而冷的表面溫度和固液界面也進(jìn)行了研究. 目前的工作提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ),對(duì)復(fù)雜的立體選擇性激光燒結(jié)( SLS )過(guò)程可以 基礎(chǔ). 2005 Elsevier公司有限公司保留所有權(quán)利. 關(guān)鍵詞:熔化; 金屬; 粉層 1. 說(shuō)明 直接有選擇性的激光 焊接(SLS) 是涌現(xiàn)堅(jiān)實(shí)自由格式制造技術(shù)(SFF) 通過(guò)哪3-D 分開(kāi)被修造從基于金屬的粉末床以CAD 數(shù)據(jù)[ 1 ] 。被制造的層數(shù)被創(chuàng)造有選擇性地熔化粉末的薄層以掃描激光束。在焊接層數(shù)以后, 新層數(shù)粉末被放置得相似和3-D 部份可能被建立在層數(shù)由層數(shù)過(guò)程。 一張混雜的金屬粉末床, 包含二型金屬粉末擁有顯著不同熔點(diǎn), 廣泛地被使用在金屬直接SLS 粉末[ 2,3 ] 。高熔點(diǎn)粉末從未融解在焊接過(guò)程和戲劇中一個(gè)重大角色作為支持結(jié)構(gòu)必要避免"煮沸的" 現(xiàn)象, 哪些是球形的形成與近似激光束的直徑。材料分析特殊物質(zhì)物產(chǎn)和方法基于金屬的粉末系統(tǒng)為SLS 應(yīng)用由Storch 等[ 4 ] 并且Tolochko 等演講。 [ 5 ] 。根本問(wèn)題在直接SLS 周到地被回顧由Lu 等[ 6 ] 。在近的充分的密度的制造對(duì)象從金屬粉末, 直接SLS 體會(huì)通過(guò)熔化和resolidification 被被指揮的激光 導(dǎo)致射線。這是一個(gè)好起點(diǎn)調(diào)查被簡(jiǎn)化 1-D 模型得到更好的理解對(duì)熔化處理在直接SLS 在一更加復(fù)雜之前 3-D 模型被調(diào)查。 基本熔化和凝固已廣泛調(diào)查和詳細(xì)的評(píng)語(yǔ)可參。 [7.8]。熔化燒結(jié)的金屬粉末,是明顯不同于正常熔煉由于體積分?jǐn)?shù)的 天然氣在粉末明顯降低后熔化. 因此,有相當(dāng)密度的變化粉末床伴隨熔化過(guò)程.熔化和凝固一維半無(wú)限體密度變化下的邊界條件,對(duì)第一類已由zckert和德雷克[9] ,Crank[10] ,并卡斯勞Legates的[11]和charach和zarmi [12]. 命名： cp 比熱 (J kg
1 K
1) hsl 潛熱融化或凝固(J kg
1) k 導(dǎo)熱 (W m
1 K
1) Kg 因次氣體導(dǎo)熱 Ks 因次有效導(dǎo)熱燒粉 q00 熱流 (W m
2) s 固液界面位置 (m) S 量綱固液界面位置 s0 位置液面 (m) S0 因次液面位置 Sc 冷參數(shù) Ste 斯特凡人數(shù) t 時(shí)間(s) T 溫度 (K) w 速度液相 (m s
1) W 量綱流速的液相 z 坐標(biāo) (m) Z 因次坐標(biāo) 希臘符號(hào) α熱擴(kuò)散(m2 s
1) · 量綱熱擴(kuò)散 β 參數(shù)區(qū)分兩種情況下熔化 δ 熱穿透深度 (m) Δ 因次熱穿透深度 ε 體積氣體(安) (孔隙燒粉) θ因次溫度 ρ密度(kg m
3) τ 因次時(shí)間 φ 體積低熔點(diǎn)粉末粉末混合物 標(biāo) g 燃?xì)? i 初次 l 液相 m 熔點(diǎn) p 制件 s 燒固(混合兩種固體粉末) 應(yīng)當(dāng)指出,在熔化補(bǔ)充下發(fā)生的邊界條件指定熱流而不指明 溫度. 古德曼和Shea [13]研究熔化和凝固的有限板在指定的熱流用 熱平衡積分法. 張等. [14]調(diào)查熔化問(wèn)題,一冷了半地區(qū)遭受恒熱流加熱. 張等. 〔15〕解決熔煉有限板的邊界條件中的第二類用一個(gè)半確切方法. 收縮形成的,由于密度變化,在凝固過(guò)程二維腔數(shù)值金泳三和RO 〔16〕,他的結(jié)論是密度變化發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用比對(duì)流的凝固過(guò)程. 張和Faghri[17]求解了潰壩熔化問(wèn)題,在一個(gè)半無(wú)限雙組份金屬粉末床受到一 不斷加熱熱流. 影響孔隙率的固體階段,初步阻力參數(shù)和量綱導(dǎo)熱氣體的影響. 由于補(bǔ)充了金屬粉末其實(shí)是一個(gè)逐層過(guò)程中, 因此,有必要對(duì)熔融混合金屬粉末床的厚度有限,在補(bǔ)充的過(guò)程. 本文 熔化的混合粉末床有限厚度遭受不斷加熱熱流將予以追究. 2. 物理模型 物理模型的熔化問(wèn)題是列圖. 1 . 粉末床有限厚度含有兩種金屬粉末的顯著不同的熔點(diǎn). 起始溫度粉末床下面,我的熔點(diǎn)低熔點(diǎn)粉末. 在時(shí)間t = 0 ,一恒熱流, q00 , 突然適用于頂面粉床 和底部表面的粉末床假定為絕熱. 由于起始溫度粉末床低于熔點(diǎn)的低熔點(diǎn)粉末 其熔化不同時(shí)開(kāi)始,加上熱供暖.只有經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的預(yù)熱, 在它的表面溫度粉末達(dá)到熔點(diǎn)低熔點(diǎn)粉末 將熔化的開(kāi)始. 粉末與高熔點(diǎn)永遠(yuǎn)融化在整個(gè)過(guò)程中. 因此,這個(gè)問(wèn)題可以分為兩個(gè)問(wèn)題:一個(gè)是熱傳導(dǎo)預(yù)熱期間和其他被熔化. 物理模型被視為一個(gè)傳導(dǎo)控制問(wèn)題. 在自然對(duì)流效應(yīng)液體地區(qū)由于溫差不考慮由于溫度 最高的是在液體表面并隨宜 2.1.時(shí)間預(yù)熱 預(yù)熱期間,純傳導(dǎo)傳熱發(fā)生在粉末混合物. 理事方程以及相應(yīng)的初始和邊界條件的預(yù)熱問(wèn)題 2.2. 熔化 熔化后開(kāi)始,在液相方面的理事方程： 其中W是速度液體表面所誘發(fā)的收縮. 因?yàn)橐后w是不可壓縮的收縮速度西經(jīng) Eq. (5) 是受到以下邊界條件： 理事方程式為固相,其相應(yīng)的邊界條件 溫度在固液界面滿意 能量平衡，在固液界面 基于質(zhì)量守恒定律,在固液界面上的收縮速度, W時(shí),固液界面速度,副/藥物療法, 有以下關(guān)系[17] : 2.3 . 非維管方程 確定了以下無(wú)量綱變量: 非維管方程以及相應(yīng)的初始和邊界條件的預(yù)熱問(wèn)題,成為 熔化,非維方程和相應(yīng)的邊界條件 3. 近似解 當(dāng)頂面的混合金屬粉末床受到恒定磁場(chǎng)加熱, 熱流將穿透的頂面,并進(jìn)行向下的底部表面. 深度上的熱流滲透到瞬間的時(shí)間定義為熱穿透深度, 以后,便再?zèng)]有熱傳導(dǎo). 古德曼和Shea [13]引入一個(gè)參數(shù), ， 分類兩宗熔煉有限板. 當(dāng)β是大于1 頂部表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)在較短的時(shí)間比熱穿透深度到達(dá)底部 表面上顯示一個(gè)較短的預(yù)熱時(shí)間. 如果β小于1 , 表面溫度仍低于熔點(diǎn)時(shí),熱穿透深度已達(dá)底部表面. 預(yù)熱持續(xù)到頂部表面溫度達(dá)到熔點(diǎn)低熔點(diǎn)粉末. 參數(shù)β也可以用表示因次參數(shù)定義的情商. ( 13 ) ,即 由此可以看到,價(jià)值β是由四個(gè)基本無(wú)量綱參數(shù):斯特凡數(shù)Ste, 冷資深參數(shù)Sc,有效導(dǎo)熱系數(shù)的固相KS和體積分?jǐn)?shù)氣體ES在固相. 預(yù)熱和熔煉兩個(gè)二" 1和β " > 1將得到討論 FIG.3 . 影響孔隙的液相表面溫度(專題= 0.02 ) 3.1.1 預(yù)熱 3.1.1. β< 1 熱平衡缺一不可的方法[ 18,19 ] 被使用這里。集成熱傳導(dǎo)Eq 。(14) 以尊敬對(duì)Z 從0 對(duì)D, 積分方程被獲得。 hs(Z, s) 被承擔(dān)是第二程度多項(xiàng)式滿足邊界條件被指定的作用由Eqs 。(16)-(18) 。然后hs(Z, s) 可能是堅(jiān)定的 Eqs 。(16)-(18) 并且(28) 可能被替代入 Eq 。(27) 和然后普通的微分方程為熱量滲透深度,Δ, 被獲得能容易地被解決。 當(dāng)熱量滲透深度到達(dá)底部表面, 即, Δ = 1, 溫度發(fā)行在粉末床是 圖4. 多孔性的作用在液體階段在表面溫度(Ste =0.15) 。 哪些成為下個(gè)階段的最初的情況預(yù)熱。在上升暖流滲透深度伸手可及的距離以后底部, 問(wèn)題成為傳導(dǎo)問(wèn)題在一塊有限平板。有些類似于那描述了早先, 粉末的溫度是 預(yù)熱時(shí)間, sm, 可能由設(shè)置獲得 hs(0, s) = 0 在Eq 。(34), 即, T溫度發(fā)行在s = sm 被給 哪些是最初的情況為熔化。 3.1.2. β> 1 當(dāng)β是大于1, 熔化開(kāi)始在之前滲透深度到達(dá)底部和因此, 預(yù)熱時(shí)間, sm, 對(duì)應(yīng)的熱量滲透深度、Dm, 和溫度發(fā)行在時(shí)間sm 是[ 17] 那里Eq 。(38) 是表面溫度在上面粉末床。 熔化的解答 溫度發(fā)行在液體 熔化開(kāi)始當(dāng)表面溫度粉末床到達(dá)低熔化的熔點(diǎn)點(diǎn)粉末。液體層數(shù)被形成作為結(jié)果熔化, 溫度發(fā)行不取決于Δ 的價(jià)值。它可能是由Eqs 的一種確切的解答獲得。(19)-(21) 并且 (24) [ 17 ], 即。 那里S0 是液體表面的無(wú)維的地點(diǎn)。 3.2.2. 溫度發(fā)行在固體(β < 1) 熱漲潮擊穿了整個(gè)粉末床在熔化的開(kāi)始之前。缺一不可的近似解答罐頭并且被使用獲得溫度發(fā)行在固相。集成的Eq 。(22) 與尊敬對(duì)Z 在間隔時(shí)間(S, 1), 你可能獲得 然后溫度發(fā)行在固相能被獲得 替代Eq 。(40) 入Eq 。(39), 一個(gè)普通的差別等式關(guān)于a 被獲得 固液 接口的地點(diǎn)可能被獲得由替代的Eqs 。(38) 和(40) 入Eq 。(25), 即, Eqs 。(40)-(42) 能由Runge-Kutta 解決方法。 3.2.3. 溫度發(fā)行在固體(β > 1) 熔化開(kāi)始在熱漲潮到達(dá)底部之前粉末床, 如此問(wèn)題熔化半無(wú)限二組分粉末床。解答為熔化一張無(wú)限粉末床包含a 二粒金屬粉末混合物由張[ 17 ] 獲得了。溫度發(fā)行在液體階段由Eq 測(cè)量。(38) 。度發(fā)行在堅(jiān)實(shí)區(qū)域被獲得由[ 17 ], 堅(jiān)實(shí)液體接口的地點(diǎn)并且被獲得由[ 17 ], 熱量滲透深度滿足等式 在那時(shí)候熱量滲透深度到達(dá)底下表面, 即, D = 1, 溫度發(fā)行在固體是 圖5. 多孔性的作用在液體階段在液體表面和液體堅(jiān)實(shí)接口的地點(diǎn)(Ste = 0.02) 。 熱量滲透深度到達(dá)對(duì)的時(shí)間底部, τΔ=1, 被獲得從 當(dāng)τ > τΔ=1, 問(wèn)題成為熔化在有限平板。溫度發(fā)行在固體, hs(Z, s), 并且液體堅(jiān)實(shí)接口地點(diǎn), S 可能被獲得由解決的Eqs 。(22)-(24) 使用積分式近似方法相同與β < 事例; 1. 4.結(jié)果和討論 分析解答的檢驗(yàn)是由舉辦結(jié)果與數(shù)字比較結(jié)果被獲得從陳和張[ 20 ], 調(diào)查二維熔化和resolidification 二組分金屬粉末層數(shù)在SLS 過(guò)程中服從對(duì)移動(dòng)的激光束。為了使用二維代碼在Ref 。[ 20 ] 解決熔化在粉末層數(shù)服從了對(duì)恒定的熱漲潮, 高斯激光束由恒定的熱化替換了熱漲潮在整個(gè)粉末床的上面和 激光 掃描速度調(diào)整到零數(shù)字解答。參量被使用在本論文是轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的參量在Ref 。[ 20 ] 為代碼檢驗(yàn)的目的。比較液體表面和液體的瞬間地點(diǎn)堅(jiān)實(shí)接口由分析和數(shù)字獲得解答被顯示在圖2 。它能被看見(jiàn)預(yù)熱時(shí)間由分析獲得和數(shù)字解答幾乎是相同。地點(diǎn)液體表面和液體堅(jiān)實(shí)接口被獲得分析和數(shù)字解答行動(dòng)在非常相似趨向。它采取完全地熔化整個(gè)的時(shí)間粉末層數(shù)被獲得從分析解答是大約4% 長(zhǎng)比那被獲得從數(shù)字解答。 多孔性, 冷資深 的作用, 無(wú)維導(dǎo)熱性和Stefan 編號(hào)在表面液體表面的溫度、地點(diǎn), 和地點(diǎn)粉末床的固液 接口將被調(diào)查。圖3 展示怎么表面溫度被多孔性影響在液體階段為Ste = 0.02 和幾個(gè)不同的冷資深 的參量。收縮的作用由固定隔絕冷資深 參量, 固相的多孔性, 和無(wú)維的導(dǎo)熱性。它能被看見(jiàn)那表面溫度增加當(dāng)多孔性在液體階段增量。這是因?yàn)橛行У纳仙鱾鲗?dǎo)性減少隨著容量分?jǐn)?shù)的增加氣體。當(dāng)Sc = 0.1, 預(yù)熱時(shí)間是更短的與比較當(dāng)Sc = 3.0 。作用收縮在表面溫度為Ste = 0.15 被顯示在圖4 。如同我們能看, 多孔性增量液體階段導(dǎo)致更高的表面溫度并且更加高級(jí)的Sc 要求更長(zhǎng)的預(yù)熱時(shí)間。當(dāng)Sc = 3.0, 你可能觀察期間熔化的過(guò)程顯著被變短當(dāng) Ste 增量從0.02 到0.15 。圖5 顯示地點(diǎn) 固液 接口和液體表面對(duì)應(yīng)對(duì)圖3 的條件。堅(jiān)實(shí)液體接口快速地行動(dòng)當(dāng)更多氣體被駕駛從液體。因而斷定對(duì)應(yīng)的地點(diǎn)液體表面移動(dòng)向下重大由于混雜的金屬粉末床的收縮。 固液 接口和液體的地點(diǎn)浮出水面對(duì)應(yīng)于圖4 的條件被顯示在圖6 。多孔性減退在液體階段并且加速固液 接口的行動(dòng)和液體表面向下。 圖7 顯示最初冷資深 的作用表面溫度為Ste = 0.02 。它能被看見(jiàn)預(yù)熱時(shí)間增加當(dāng)冷資深 參量, Sc, 被增加從0.1 到0.5 。同樣趨向被觀察當(dāng)Sc 增加從1.0 到3.0 。最初冷資深 的作用在表面溫度為Ste = 0.15 被顯示在圖8 。比較對(duì)事例Ste = 0.02, 預(yù)熱時(shí)期為 Ste = 0.15 顯著被變短。同時(shí), 預(yù)熱時(shí)間為Ste = 0.15 增量當(dāng)Sc 被增加從1.0 到3.0 。無(wú)花果。7(a) 和8(a) 表明更低的液體表面溫度可能被獲得如果更大的最初的冷資深 的價(jià)值被使用; 但是, 這些變動(dòng)不是明顯的從無(wú)花果。7(b) 和 8(b) 。 圖9 顯示固液 接口的地點(diǎn)并且液體表面對(duì)應(yīng)于條件圖7 。它能被看見(jiàn)在圖9(a), 存在更加了不起的最初冷資深 減少移動(dòng)的速度 固液 接口堅(jiān)固。在之前熱量滲透深度到達(dá)底部, 固液 接口寧可慢慢地行動(dòng), 液體堅(jiān)實(shí)接口快速地行動(dòng)在上升暖流以后滲透深度到達(dá)了底部。在a 更高的冷資深 的參量, 熔化發(fā)生在之后熱量滲透深度到達(dá)了底部依照被顯示在圖9(b) 。這些現(xiàn)象的原因是那預(yù)熱帶來(lái)平均溫度整個(gè)粉末床非常緊挨低熔化的粉末的熔點(diǎn)以便熔化的過(guò)程能非常迅速進(jìn)行。關(guān)系在之間 固液 接口和液體表面, 然而, 只是同樣為所有冷資深 的參量從它依靠氣體的容量分?jǐn)?shù)在固體并且液體階段(參見(jiàn)Eq 。(26)) 。地點(diǎn) 固液 接口和液體表面對(duì)應(yīng)對(duì)圖的條件8 并且被密謀在圖10 。一個(gè)相似的趨向可能并且被觀察在圖9 。 為了防止燒結(jié)部分氧化的空氣,蘇等. [21]使用氬氣作為保護(hù)氣體的粉床. 相比空氣,有因次導(dǎo)熱Kg=3.7 氬具有更低因次導(dǎo)熱對(duì)Kg=2.5 . 表面溫度不同量綱導(dǎo)熱系數(shù)在不同的訪問(wèn)是顯示圖. 11 . 可以看出,預(yù)熱時(shí)間隨導(dǎo)熱性的氣體,是減少兩 訪問(wèn)值分別為0.02和0.15 . 但是,兩者的表面溫度不同的氣體是微不足道. 效果因次導(dǎo)熱性的氣體對(duì)所在地的固液界面和液體 面及相應(yīng)條件的無(wú)花果. 11列圖. 12 . 當(dāng)訪問(wèn) Ste= 0.02速度的固液界面增加時(shí),氬氣作為保護(hù)氣體. 當(dāng)Ste= 0.15 , 速度的固液界面更快Kg =2.5 前的熱穿透深度達(dá)到筆 他底部的粉層. 相比于Kg=3.7 所花費(fèi)的時(shí)間的熱穿透深度達(dá)到底部的粉層較長(zhǎng)Kg =2.5 . 一旦熱穿透深度到達(dá)底部的粉層, 熔化過(guò)程既Kg=3.7 ,Kg=2.5 全速自更 熱能可以用來(lái)供應(yīng)潛伏的熔化. 圖6. 多孔性的作用在液體階段在液體表面和液體堅(jiān)實(shí)接口的地點(diǎn)(Ste = 0.15) 。 圖7. 冷資深 的作用在表面溫度(Ste = 0.02) 。 圖8. 冷資深 的作用在表面溫度(Ste = 0.15) 。 圖9. 冷資深 的作用在液體表面和液體堅(jiān)實(shí)接口的地點(diǎn)(Ste = 0.02) 。 圖10. 冷資深 的作用在液體表面和液體堅(jiān)實(shí)接口的地點(diǎn)(Ste = 0.15) 。 圖11. 氣體無(wú)維的導(dǎo)熱性的作用在表面溫度。 5 . 結(jié)論 熔煉一冷雙組分金屬粉末層受到一恒定熱流加熱調(diào)查分析. 收縮所致熔煉,也會(huì)一并考慮. 增加的斯特凡數(shù)量和貨值冷人數(shù)加速熔化過(guò)程. 熔融的粉層充滿氬較低因次導(dǎo)熱也是調(diào)查,以避免 氧化. 熔煉有限粉末床不同于熔化半無(wú)限板自固液界面熔煉 在有限粉末床動(dòng)作快,在一個(gè)半無(wú)限板. 物理模型與這個(gè)調(diào)查結(jié)果提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ),而進(jìn)一步調(diào)查的復(fù)雜三維 選擇性激光燒結(jié)( SLS )過(guò)程中,可以根據(jù). 鳴謝 支持這項(xiàng)工作由辦公室和海軍研究公司( ONR )的資助下,一些n00014 - 04 - 1 - 0303非常認(rèn)同. 參考 [1] J.G. 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Hub 中國(guó)，上海200030 , 上海交通大學(xué), 中國(guó)B校機(jī)械與動(dòng)力工程； 太原030024 ,太原科技大學(xué), 學(xué)校材料科學(xué)與工程 摘要： 近年來(lái),快速原型制造技術(shù)( RPM )中已逐漸走向成熟, 已被廣泛地用于制造功能性和實(shí)用金屬和陶瓷零件. 不過(guò),研究選擇性激光燒結(jié)( SLS )的石英砂則非常有限. 實(shí)驗(yàn)中的快速原型制造的石英砂進(jìn)行了基于SLS . 微觀形貌的燒結(jié)模式,在不同的工作條件下觀察三維光學(xué)顯微鏡(庵) . 影響工藝參數(shù)如激光功率,掃描速度,重疊率, 激光光束直徑與粉末混合比對(duì)尺寸精度和燒結(jié)質(zhì)量調(diào)查系統(tǒng). 它表示, "走出效應(yīng)" ,變形的燒結(jié)樣品減少通過(guò)降低切片厚度和 優(yōu)化工藝參數(shù). 最后,有條件的選擇性激光燒結(jié)硅砂的方式獲得. ? 2006 Elsevier公司訴乙版權(quán)所有. 關(guān)鍵詞:快速原型制造; 補(bǔ)充; 硅砂模式; 燒結(jié)質(zhì)量 1. 序言 選擇性激光燒結(jié)( SLS )的一個(gè)重要分支,快速原型制造( RPM ) ,是結(jié)合計(jì)算機(jī)工程, 數(shù)控技術(shù),激光技術(shù)和材料加工技術(shù). 它也是世界上最重要的突破,在最近20年. 在加工前, 復(fù)合添加劑制造方法,可以用來(lái)制作三維任意形狀部件的CAD模式,而不涉及的 專用工具和模具. 因此,生產(chǎn)的靈活性和處理速度可以大大提高,導(dǎo)致時(shí)間和總成本可以降低. 相比其他的RPM技術(shù),廣泛的材料,如有機(jī)聚合物,蠟, 金屬和陶瓷,可用于前,后處理簡(jiǎn)單,它是那么費(fèi)時(shí). 由于 它一直高度集中,自發(fā)明在八十年代末已迅速發(fā)展[ 1-5 ] . 目前, 炎熱的實(shí)地研究的領(lǐng)域選擇性激光燒結(jié)主要集中在金屬加工, 陶瓷材料,取得了顯著成就,已經(jīng)取得的成果. 然而,作為一種豐富而廉價(jià)的原料, 研究補(bǔ)充硅砂還很有限[ 6-8 ] . 在這個(gè)文件中,快速原型制造硅砂模式基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行了研究. 噴涂工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和微觀分析方法, 合格硅砂模式取得. 2 . 實(shí)驗(yàn)選擇性激光燒結(jié) 2.1 . 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和材料 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括一個(gè)3kW分橫流CO2激光機(jī),自行設(shè)計(jì)和建造粉末壓裝置 一套計(jì)算機(jī)模擬軟件和西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng). 精確的數(shù)值控制系統(tǒng)為0.1毫米. 原則的選擇性激光燒結(jié)系統(tǒng)顯示圖. 1 . 在SLS過(guò)程中, 粉末進(jìn)行了掃描沿預(yù)定軌道由激光束根據(jù)CAD模型的組件. 經(jīng)過(guò)掃描一層,活塞被降下來(lái)了距離一層厚度. 然后粉末預(yù)填在上燒結(jié)層粉末壓輥, 最后整個(gè)硅砂模式可以燒結(jié)掃描逐層. 實(shí)驗(yàn)材料所用的是自制的石英砂-酚醛樹(shù)脂(酚醛樹(shù)脂)的化合物. 主要成分的石英砂中SiO2:99%, Al2O3:0.22%,,而微TiO2含量,熔點(diǎn)為1750?C號(hào) 粘接劑酚醛樹(shù)脂粒度200網(wǎng)及軟化點(diǎn)105-115?C號(hào) 固化劑8-12成胺. 2.2 . 實(shí)驗(yàn)方法 為了考察了工藝參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量及尺寸精度的燒結(jié)樣品, 長(zhǎng)度,寬度及高度的多軌激光燒結(jié)樣品分別標(biāo)示為L(zhǎng)號(hào) 鎢和H的影響激光功率P ,掃描速度六,重疊η, 激光光束直徑D和粉末配比φ對(duì)燒結(jié)質(zhì)量和準(zhǔn)確性分別研究的情況下, 其他參數(shù)不變,在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值多種實(shí)驗(yàn). 在焊接以后樣品, 表面的微形態(tài)學(xué)在另外工作之下情況被觀察了在KEYENCE 三維顯微鏡下。 3 . 結(jié)果與討論 3.1 . 準(zhǔn)分子激光功率對(duì)燒結(jié)質(zhì)量 形成機(jī)制的選擇性激光燒結(jié)石英砂在于吸收激光能量. 在加熱作用激光束,粘接劑軟化,熔融后固化, 石英砂顆粒被插入的粘合,構(gòu)成了固態(tài)連接骨架. 因?yàn)檐浕c(diǎn)硅砂相當(dāng)?shù)?大約只有110?C號(hào) 和優(yōu)化加熱淬火溫度約為250?三,所需的功率較低. 在此同時(shí),因?yàn)闄?quán)力的激光切割機(jī)跳躍一系列的瓦特?cái)?shù), 這導(dǎo)致一個(gè)很明顯的錯(cuò)誤,同時(shí)分析了影響激光功率. 在另一方面,由于電流相對(duì)穩(wěn)定, 它可以用來(lái)作為參考值的激光功率. 據(jù)觀察,從實(shí)驗(yàn)中,在一次電流為0.8 , 粘接劑酚醛樹(shù)脂尚未完全融化; 在電流為1.0 , 燒結(jié)效果最佳; 而電力增加值1.2 , 樣品表面被碳化,并敬獻(xiàn)了黑顏色. 因此,優(yōu)化電流在實(shí)驗(yàn)條件下為1.0甲. 圖2 顯示不同的激光束 力量的作用在微被焊接的樣品的形態(tài)學(xué)。圖2(a) 顯示形態(tài)學(xué)原始的硅土沙子。它表示, 五谷原物硅土沙子是基本上一致規(guī)則半透明水晶提出在牛奶的顏色白色和蒼白黃色。在混合和按以后, 硅土的外部沙子由粘合劑, 硅土的空白包裝了沙粒用bonders 被填裝了。圖2(b) 微形態(tài)學(xué)在更低的力量, 它之下能被看見(jiàn)表面樣品提出淡黃的下面低力量, 零件的顏色黏合劑不充分地被熔化, 并且接合力量是不是足夠。在中等力量之下, 樣品的表面是在一種深褐色的顏色, 硅土沙粒是mosaicked 在堅(jiān)實(shí)黏合劑和形式一個(gè)半透明的保稅的身體與理想的被焊接的作用, 依照被顯示在圖2(c)。圖2(d) 顯示被焊接的表面下面更高的激光束 力量, 因?yàn)槟芰渴翘? 地方區(qū)域在表面當(dāng)前黑棕色顏色并且黏合劑被碳化了。 圖1. SLS 系統(tǒng)的原則。 3.2. 掃描速度F 的作用在維度被焊接的樣品 圖3 表明掃描速度的影響對(duì)維度被焊接的樣品在激光束直徑3 毫米, 重疊的寬度0.5 毫米、激光束 力量12W, 和粉末比率硅土沙子和PF 樹(shù)脂14:1 。以增加掃描加速, 樣品減退的長(zhǎng)度、寬度和高度逐漸。這個(gè)結(jié)果原因是那以增加掃描速度, 激光束的停留時(shí)間在掃描斑點(diǎn)相應(yīng)地變短了, 當(dāng)激光束 力量是恒定的, 實(shí)際輸入能量在單位時(shí)間減少, 和熱受影響的區(qū)域并且被減少了, 導(dǎo)致a 維度變小樣品。 3.3. 重疊的作用η, 激光束直徑D 和粉末混合物比率Φ在樣品的高度 在實(shí)驗(yàn), 激光束直徑D 被設(shè)置了到3mm 調(diào)整defocusing 的數(shù)額, 重疊? 毗鄰掃描軌道變化了在0.5-2.0 毫米, 激光束力量的范圍 P 12W 是, 粉末比率嗎? 是11:1, 和掃描速度F 是650 mm/min 。用增加重疊, 焊接深度增加了。當(dāng)重疊被增加了, 激光束 能量的吸收增加了, 更多黏合劑的數(shù)量被熔化了, 并且變?nèi)岷偷酿ず蟿┑纳疃仍黾恿?。在情況下, 其它實(shí)驗(yàn)性參量是固定的, 激光束能量密度減少了以增加激光束 依照被顯示放光直徑, 和被焊接的深度迅速地被減少, 在圖4 。 圖2. 激光束 力量的作用在被焊接的樣品的微形態(tài)學(xué): (a) 原始的硅土沙子微粒(b) 低力量, (c) 中等力量, 和(d) 大功率。 圖4 并且顯示關(guān)系在粉末混合物之間比率? 并且被焊接的維度在激光束 的情況下察覺(jué)3 毫米, 激光束 力量12W, 重疊1.1mm 和掃描加速650 mm/min 。它能被看見(jiàn), 以增加?, 樣品的長(zhǎng)度、寬度和厚度輕微地變化, 但不非常極大。那是以增加粘合劑, 被焊接的樣品的維度輕微地增加。由于粘合劑內(nèi)容的減少, 連接橋梁在硅土沙子粉末之中減少了, 變?nèi)岷筒⑶胰刍瘏^(qū)域和混雜的粉末的深度減少了相應(yīng)地。所以, 耐壓強(qiáng)度被焊接樣品可能被提高以更高的黏合劑內(nèi)容, 但許多粘合劑導(dǎo)致很多變形并且收縮, 導(dǎo)致波動(dòng)維度。PF 樹(shù)脂的固體化收縮收效一個(gè)區(qū)別在實(shí)際維度和被設(shè)計(jì)的部分之間被焊接的樣品, 但那里仍然有一些規(guī)則被跟隨。隨后實(shí)驗(yàn)的粉末混合物比率被選擇作為11:1 。 3.4. 崗位處理被焊接的樣品和質(zhì)量分析 在崗位之前處理, 有殘余的未熔化的接合粉末在有選擇性的激光束 被焊接的樣品, 和粘合劑的發(fā)行不是同類的, 力量樣品是降低, 并且熱量藏品過(guò)程必需。沙子樣式可能只被使用在熔鑄在硬化的過(guò)程以后, 在中接合的聚集的現(xiàn)象代理可能被消滅, 水并且gasifiable 事態(tài)可能是揮發(fā), 和黏合劑可能一致地被分布當(dāng)被焊接的樣品舉行在大約250°C 30 分鐘。在有 圖3. 掃描速度的作用在被焊接的樣品的維度。 有條理改進(jìn)被焊接的樣品的力量沒(méi)有碳化, 崗位處理溫度不應(yīng)該超過(guò) 300?C 。由于有選擇性的激光束 焊接是被碾壓的材料疊加性制造過(guò)程、切的厚度和過(guò)程參量有一個(gè)重大作用在質(zhì)量適當(dāng)?shù)貨](méi)控制和"階段效應(yīng)" 將出現(xiàn)。樣品的維度準(zhǔn)確性和表面結(jié)束將很大地影響。同時(shí), 在處理SLS, 由于不均勻的熱化和收縮, 變形是有義務(wù)發(fā)生。 圖4. 重疊, 斑點(diǎn)大小和粉末比率的聯(lián)系對(duì)維度被焊接的樣品。 避免這些瑕疵和改進(jìn)表面完成, 切的厚度應(yīng)該是足夠稀薄, 和合理處理參量應(yīng)該被選擇。層數(shù)厚度并且有一個(gè)作用在被焊接的組分的物產(chǎn)。稀薄的切的層數(shù)導(dǎo)致一更高尺寸準(zhǔn)確性和機(jī)械力量, 但制造業(yè)時(shí)間將被延長(zhǎng)。如果層數(shù)是太稀薄的, 均一和 粉末層的compactibility 將變得困難。避免這些瑕疵和改進(jìn)表面而且, 激光束 功率密度由激光束 力量和斑點(diǎn)大小決定, 并且熱化粉末的溫度和期間依靠在激光束 功率密度和掃描速度。在條件下低功率密度和迅速掃 圖5. 沙子樣式焊接了由有選擇性的激光束 焊接。 描速度, 粉末的部份不要有足夠時(shí)間完全地熔化, 和力量樣品是更低。但是, 粉末溫度過(guò)份地是更高, 蟲(chóng)膠黏合劑將被燒焦和將被氣化, 并且被焊接的表面將成為概略, 結(jié)合的物產(chǎn)在層數(shù)和焊接之間質(zhì)量將被減少。 根據(jù)上述分析, 它結(jié)束更好焊接作用可能被獲得以媒介激光束 力量和降低掃描速度。優(yōu)化處理參量是如下: 電流1.0 A, 掃描速度650 mm/min, 激光束直徑3 毫米, 重疊0.5mm 和粉末混合物比率11:1 。沙子樣式焊接了以早先參量被顯示在圖5 。 4. 結(jié)論 有選擇性激光束 焊接硅土沙子有特征高靈活性, 更短的前置時(shí)間, 低成本, 做法集中化并且形成沒(méi)有模子。它是特別適當(dāng)?shù)臑閺?fù)雜形狀的鑄件和生產(chǎn)的發(fā)展和小全部片斷。 處理參量有重要作用在物產(chǎn)并且被焊接的樣品的準(zhǔn)確性。以適當(dāng)?shù)妮斎?激光束 力量, 粉末比率和重疊, 表面準(zhǔn)確性并且維度精確度可能被改進(jìn), 夾層接合力量和整體組分的機(jī)械力量罐頭并且被改進(jìn)。 粘合劑可能一致地被分布和力量樣品可能被提高以崗位處理和舉行, 而是藏品溫度無(wú)法超過(guò)300°C 。形成樣品的精確度可能被并且改進(jìn)減少切的厚度和過(guò)程的優(yōu)化參量。 鳴謝 這工作由全國(guó)自然科學(xué)支持了中國(guó)的基礎(chǔ)在被授予的數(shù)量的50375096 之下。 [1] Liu Hongjun, Fan Zitian, Huang Naiyu, A note on rapid manufacturing process of metallic parts based on SLS plastic prototype, J. 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