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魔猴君 行業(yè)資訊 2114天前
選擇性激光熔融(Selective Laser Melting;SLM)作為金屬3D打印技術(shù)中備受關(guān)注的一類(lèi)代表性技術(shù),能夠制造出傳統(tǒng)加工方式難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件。其中一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用包括GE的渦輪螺旋槳引擎(ATP),基于3D打印技術(shù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)師將855個(gè)獨(dú)立部件減少到12個(gè),結(jié)果,超過(guò)三分之一的引擎是由3D打印完成的。
不過(guò)要生產(chǎn)出GE的引擎這樣的關(guān)鍵零部件,需要對(duì)加工的過(guò)程有著高人一籌的把控能力,這其中,仿真為SLM選區(qū)金屬熔化金屬3D打印的方案設(shè)計(jì)及工藝路線(xiàn)優(yōu)化提供了方向,提高對(duì)裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力及對(duì)工藝的控制能力。
本期通過(guò)文章《仿真計(jì)算在SLM 3D打印機(jī)鋪粉裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》一文來(lái)領(lǐng)略基于Ansys workbench軟件對(duì)SLM打印機(jī)鋪粉過(guò)程、鋪粉裝置與變形件發(fā)生碰磨的過(guò)程如何進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析,并針對(duì)不同形狀刮刀進(jìn)行了對(duì)比,為鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選材提供一定的參考依據(jù)。
選擇性激光熔融過(guò)程中鋪粉環(huán)節(jié)對(duì)成型過(guò)程和最終的成型件質(zhì)量有著重要的影響,鋪粉裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,鋪粉過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化都需要進(jìn)行大量的研究。采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行研究需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力,且很難從微觀的尺度對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的描述。
而針對(duì)該過(guò)程建立相應(yīng)的模型,采用有限單元法或離散單元法對(duì)鋪粉過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的仿真,并結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證可以從微觀尺度更好的理解這一過(guò)程,對(duì)鋪粉裝置和鋪粉工藝進(jìn)行更好的優(yōu)化。
圖2為鋪粉裝置鋪粉過(guò)程的示意圖,本文假設(shè)金屬粉末為連續(xù)流體,鋪粉裝置中刮刀的受力面受到粉末流體的流體靜壓強(qiáng)(hydrostatic pressure)和鋪粉過(guò)程中粉末對(duì)刮刀鋪粉的阻力兩個(gè)力的作用;
SLM選區(qū)激光熔融金屬3D打印機(jī)在工作時(shí)鋪粉裝置循環(huán)往復(fù)在水平方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鋪粉,圖3分析了刮刀在不同的鋪粉速率、鋪粉層厚和不同粉末比重的情況下的受力及變形情況,該計(jì)算結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以為鋪粉裝置的選材,鋪粉工藝的改進(jìn)提供參考依據(jù)。
圖4 對(duì)比了兩種不同形狀刮刀鋪粉過(guò)程中的受力及變形情況,可以看出1#刮刀與2#刮刀相比,刮刀的剛度好,鋪粉過(guò)程變形小,該過(guò)程的仿真分析為刮刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向提供參考。
SLM選區(qū)激光熔融金屬3D打印的工藝是快速加熱熔化粉末并快速冷卻凝固的過(guò)程,打印件的制備過(guò)程中由于各部位不均勻受熱以及熱循環(huán)和相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的膨脹和收縮會(huì)產(chǎn)生一定變形,打印件高度方向的變形量超過(guò)鋪粉層厚會(huì)在下一層鋪粉時(shí)與刮刀產(chǎn)生碰磨,以致?lián)p壞工件造成工件報(bào)廢,或損壞刮刀對(duì)后續(xù)的鋪粉產(chǎn)生影響。
所以對(duì)刮刀在發(fā)生碰磨時(shí)的力學(xué)分析是必要的,以求能得到刮刀發(fā)生某變形量時(shí),對(duì)應(yīng)著會(huì)產(chǎn)生多大的力,為刮刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)作定性指導(dǎo)。
圖5和圖6展示了某一設(shè)計(jì)型號(hào)刮刀在與不同高度變形凸起的打印件發(fā)生碰磨時(shí)的變形及受力情況。
圖 5 刮刀刮過(guò)不同高度變形凸起打印件時(shí)的變形情況示意圖 (隨打印件凸起高度增加,刮刀變形逐漸增加)
SLM打印機(jī)不同形狀 刮刀極端工況時(shí)的力學(xué)分析
評(píng)價(jià)不同形狀刮刀的優(yōu)劣需要綜合計(jì)算和評(píng)估刮刀在正常鋪粉時(shí)和各種極端工況時(shí)的受力及變形情況,進(jìn)而進(jìn)一步對(duì)相應(yīng)工況下的鋪粉效果和刮刀的壽命等進(jìn)行評(píng)估,以更好地指導(dǎo)相應(yīng)鋪粉裝置部件的優(yōu)化方向。
本節(jié)列舉了不同形狀刮刀(圖7)在與變形凸起的打印件發(fā)生碰磨時(shí)的受力及變形情況,該過(guò)程的受力和變形情況關(guān)系到刮刀的磨損壽命,鋪粉的均勻性等設(shè)計(jì)參數(shù),因此我們針對(duì)這一相對(duì)極端工況的受力及變形情況進(jìn)行了分析,可為刮刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)作定性指導(dǎo)。
圖7對(duì)比了四種不同設(shè)計(jì)形狀刮刀刮過(guò)相同高度凸起工件時(shí)的受力及變形情況,可以看出:
(1)刮刀碰到相同變形凸起的打印件的鋪粉過(guò)程中,無(wú)論X方向還是Y方向的受力,2#刮刀的受力最大,其次是1#刮刀,再次是3#刮刀,受力最小的是4#刮刀,刮過(guò)障礙物的過(guò)程中較小的受力使得刮刀磨損較少,延長(zhǎng)使用壽命。
(2)鋪粉過(guò)程中4#刮刀的變形量最大(明顯大于前三種刮刀),其次是2#刮刀和1#刮刀,3#刮刀刮過(guò)障礙物時(shí)的變形量最小,較小的變形量可以保證刮刀碰到障礙物時(shí)對(duì)其他區(qū)域鋪粉過(guò)程的影響較小,保證整層鋪粉的均勻。
總的來(lái)說(shuō),通過(guò)與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,仿真計(jì)算在SLM選區(qū)激光熔融金屬 3D打印機(jī)鋪粉裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程中有指導(dǎo)作用,它能夠使得設(shè)計(jì)人員更詳細(xì)的分析鋪粉裝置工作過(guò)程中的受力及變形情況,對(duì)比分析不同鋪粉裝置設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣,為相應(yīng)方案設(shè)計(jì)及工藝路線(xiàn)優(yōu)化提供方向,縮短相應(yīng)的研發(fā)流程。
來(lái)源:中國(guó)3D打印網(wǎng)
文章來(lái)源:(3D科學(xué)谷) 轉(zhuǎn)載免責(zé)聲明: 本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載的文章,其版權(quán)均歸原作者所有,如其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)下載使用,請(qǐng)?jiān)谵D(zhuǎn)載有關(guān)文章時(shí)務(wù)必尊重該文章的著作權(quán),保留本網(wǎng)注明的“本文來(lái)源”,并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任