选择性激光烧结/等静压复合工艺数值模拟与试验研究

作     者：任丽花 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：史玉升

授予年度：2007年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：选择性激光烧结 热等静压 冷等静压 近净成形 数值模拟 Cam-Clay模型 多孔材料模型 

摘      要：选择性激光烧结(Selective Laser Sinter,SLS)能成形高复杂制件,但制件存在孔隙率高和强度低的缺陷。等静压技术分为冷等静压(Cold Isostatic Pressing,CIP)和热等静压(Hot Isostatic Pressing, HIP)两类,利用了液体或气体介质的均一性。利用该方法制造的制件组织结构均匀、无成分偏析、尺寸精度高以及变形率低,但也存在包套设计困难、零件成形精度难于控制且无法成形高复杂结构等缺陷。为此,本文将SLS与等静压相结合,形成SLS/等静压复合工艺,充分利用它们各自的技术优势,取长补短,实现高性能复杂零件的快速高效制造。 在传统的等静压成形应用中,往往采用反复试验的方法,导致制造的零件结构和性能难以保证,而且工艺复杂、周期长,需耗费大量的劳力和物力。如果在正式成形之前对等静压成形过程进行精确的有限元数值模拟,将会有效地减小制件变形,提高一次近净成形的精度和质量。自上世纪九十年代初至今,瑞典、法国、美国等西方制造业发达国家在这方面进行了大量研究。但是,关于本文SLS/等静压复合工艺数值模拟方面的研究,国内外均无相关的研究报道。因此,本文采用了数值模拟和试验研究两种手段,对SLS/HIP和SLS/CIP两种复合成形技术进行研究,主要内容和结论如下: 详细分析和描述了CIP和HIP致密化过程,并基于SLS制件为“可压缩的连续体的假设条件,建立了SLS制件的材料模型,即在CIP中采用Cam-Clay模型研究CIP致密化过程,HIP中采用Cam-Clay与多孔材料模型共同研究HIP致密化过程;同时,介绍了本文所采用的有限元模拟系统——ABAQUS 6.4。 论述了SLS/HIP复合技术成形复杂金属零件的工艺。以316L不锈钢粉末材料成形的长方体SLS制件为研究对象,实现了SLS制件HIP数值模拟,得出了SLS制件HIP处理后的应力分布、变形图和位移分布以及关键点变形量随时间变化曲线;最后,对多种金属粉末材料成形的制件进行HIP试验,结果发现由于氮化硼粉末填充密度过低及其填充密度分布不均匀而造成的制件受力不均,导致制件变形极不均匀,且形状精度误差较大。 论述了SLS/CIP复合技术成形复杂金属零件的工艺。以304L不锈钢粉末材料成形的SLS制件(方法体、齿轮)为研究对象,首先选取一系列压力,在ABAQUS平台上实现了长方体制件CIP有限元模拟,得出相对密度与压力之间的关系;并以此为依据,通过对不同脱脂温度(1100℃、850℃)下得到的SLS制件(长方体、齿轮)进行CIP数值模拟,预测了SLS制件CIP后的尺寸,并以其中一个长方体和齿轮为例,详细说明了其相对密度分布、变形等情况;然后,实现了SLS制件CIP试验,并与模拟结果对比,结果发现长方体在Z方向上的收缩率误差比较大(19.1%4.9%),齿轮在齿根处误差比较大(-47.97%)。另外,通过CIP模拟和试验,发现在不同脱脂温度(1100℃、850℃)下得到的长方体制件CIP后的收缩比例相差不是很大。最后,建立了SLS原型件CAD设计模型,在前面模拟与试验基础上,对SLS原型件(长方体)进行了CAD结构设计,为以后制件的SLS/CIP近净成形提供有效的依据。 通过对SLS制件的等静压形变模拟,以及简单零件的SLS原型件CAD结构设计,为以后复杂零件CAD三维结构设计提供了依据,并为以后复杂零件的SLS/等静压近净成形提供了有效的指导。