（机械制造及其自动化专业论文）聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密团。 学位论文作者签名：砂警 训年钼c 7 日 勰狮躲阳侈 跏f f 年咱7 e t 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 t h e r m a l - - s t r e s sc o u p l i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f p o l y m e rp o w d e r l a s e r s i n t e r i n g 专业名称 指导教师 指导小组成员 作者姓名 f 生元飞彰顺 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 选择性激光烧结( s e l e c tl a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 是发展最快、最为成功且已经商 业化的快速成形技术之一。由于烧结粉末选材广泛、适用性广，可直接烧结零件，因 此，s l s 技术在现代制造业中受到越来越广泛地重视。 聚合物粉末材料s l s 成形能直接制造原型件和具有一定性能要求的功能塑料 件，具有广阔的应用前景，成为s l s 技术的一个重要发展方向。但基于s l s 原型的 快速制造技术还f 处于发展阶段，应用于实际生产时还存在许多问题，其中最突出 的问题是烧结过程中由于温度非均匀变化引起热应力和热应变，使最终制件出现变 形现象。本文针对制件变形问题对s l s 温度场、热应力场有限元数值模拟进行了深 入的研究，具体内容为： 1 综述了s l s 技术及s l s 数值模拟技术的研究现状和发展趋势，分析了对s l s 成形进行热应力有限元模拟的意义，深入研究了聚合物粉末s l s 烧结机理，总结了 材料特性和烧结过程中工艺参数对制件变形的影响。 2 以大型有限元分析软件a n s y s 为平台，针对s l s 热成形过程，建立了三维 瞬态温度场、热应力场参数化有限元分析模型，该模型综合考虑了非均匀分布高斯 热源、对流和热辐射等边界条件、材料热物属性随温度变化呈高度非线性的特征以 及成形过程中因材料状态变化而产生的相变潜热等因素对计算结果的影响。利用 a n s y s 二次丌发语言a p d l 编制热源加载程序，实现激光束对粉床的扫描加载，利 用“单元生死 技术实现了s l s 多层动态堆积成形。 3 利用建立的模型对高密度聚苯乙烯粉末s l s 温度场进行了计算，分析了s l s 成形时温度场分布和温度梯度变化规律。单层烧结时，通过考察不同功率和扫描速 度下的烧结宽度，得到扫描间距选择范围为0 1 - - 0 2 m m ；多层烧结时，考察不同工 艺参数下的烧结深度，得到铺粉层厚选择范围为o 1 0 2 m m 。 4 在温度场分析的基础上，利用间接耦合法对s l s 成形进行了热应力耦合分析， 得出了s l s 热应力、热应变分布规律。将热力耦合分析得到的热应变与s l s 翘曲实 验得到的制件翘曲变形相比较，结果表明两者变化趋势一致，从而验证了模型的合 理性。本研究对优化工艺参数和预测烧结质量有重要的指导意义。 关键词：选择性激光烧结，数值模拟，温度场，热力耦合，变形 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) i so n eo ft h ef a s t e s tg r o w i n ga n dm o s ts u c c e s s f u lr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n i q u e s w h i c hh a su s e di nc o m m e r c i a l i z a t i o n s l sh a sa t t r a c t e d w i d e s p r e a da t t e n t i o ni nt h em o d e mm a n u f a c t u r i n gi n c r e a s i n g l yd u e t oi t sw i d es e l e c t i o n r a n g eo fp o w d e rm a t e r i a l s ，e x t e n s i v ea p p l i c a b i l i t ya n dd i r e c t l ys i n t e r e dp a r t s s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n gf o r m i n go fp o l y m e rp o w d e rm a t e r i a l sh a sg r e a ta p p l i c a t i o n p r o s p e c t b e c a u s ei tc a nf a b r i c a t ed i r e c t l y p r o t o t y p i n gp a r t s a n dp l a s t i cf u n c t i o n a l c o m p o n e n t sw i t hs u f f i c i e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i th a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o no f d e v e l o p i n gs l st e c h n o l o g y h o w e v e r , t h ei n v e s t i g a t i o no fp o l y m e rp o w d e rm a t e r i a l s s i n t e r i n gf o r m i n gi ss t i l li nt h ed e v e l o p m e n ts t a g e ，t h e r ea r es o m ed i f f i c u l ti ni t si n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s t h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi st h ed e f o r m a t i o np h e n o m e n o no c c u r r e di nt h e f i n a lf o r m i n gp a r t sb e c a u s eo ft h et h e r m a ls t r e s sa n dt h e r m a l s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o n i n d u c e db yt h ei n h o m o g e n e o u sd i s t r i b u t i o nt e m p e r a t u r ef i e l d t h et e m p e r a t u r ef i e l da n d t h e r m a l s t r u c t u r a lf i e l df i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs l sw e r es t u d i e di nt h e r e s e a r c h t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c hs t a t u si ns e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n gt e c h n i q u ea n ds l sn u m e r i c a l s i m u l a t i o nw e r er e v i e w e d t h er e s e a r c hs i g n i f i c a t i o no fs l st h e r m a l s t r u c t u r a lf i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ep o l y m e rp o w d e rs i n t e r i n gm e c h a n i s mw e r es t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nd e f o r m a t i o no fs i n t e r e d p a r tw a sa n a l y z e d 2 at h e r e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i ct e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a l - s t r u c t u r a ls t r e s s f i e l df i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rl a s e rs i n t e r i n gf o r m i n gp r o c e s sw a sd e v e l o p e db a s eo n a n s y ss o f t w a r e t h eg a u s s i a nn o n u n i f o r md i s t r i b u t i o nh e a ts o u r c e ，b o u n d a r y c o n d i t i o n so fh e a tc o n v e c t i o na n dr a d i a t i o n ，h i ! g hn o n l i n e a rm a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dl a t e n t h e a to c c u r r e di nt h es i n t e r i n gp r o c e s sh a v eb e e nc o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h em o d e l t h ea n s y ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n tl a n g u a g ea p d lw a su s e dt os i m u l a t et h el a s e r s c a n n i n gb yc o m p i l i n gh e a ts o u r c el o a d i n gp r o g r a m t h et e c h n i q u eo fb i r t h d e a t h f o r e l e m e n tw a si n t r o d u c e di nt h em u l t i l a y e rs i n t e r i n gs i m u l a t i o n 3 t e m p e r a t u r ef i e l df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fh i g hd e n s i t yp o l y e t h y l e n es l sw a s c o n d u c t e db yt h et h e r e d i m e n s i o n a lm o d e l t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r e g r a d i e n tw e r ep r e s e n t e d b yi n v e s t i g a t i n gt h es i n t e r i n gw i d t ha n ds i n t e r i n gd e p t hi n d i f f e r e n tl a s e rp o w e ra n ds c a n n i n gs p e e d ，t h es e l e c tr a n g eo fl a s e rs c a n n i n gs p a c e ( 0 1 i i i 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 0 2 m m ) a n dt h i c k n e s so fs i n g l el a y e r ( o 1 o 2 r a m ) s u i t a b l ef o rp r o c e s s i n gw e r eo b t a i n e d r e s p e c t i v e l y 4 o nt h eb a s i so ft e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s ，t h et h e r m a l s t r u c t u r a ls t r e s sw a s c a l c u l a t e db yi n d i r e c tc o u p l i n g t h ed i s t r i b u t i o n so ft h e r m a ls t r e s sa n dt h e r m a ls t r a i nw e r e p r o p o s e d t h et h e r m a ld e f o r m a t i o n o b t a i n e df r o mt h et h e r m a l s t r u c t u r a l c o u p l i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sa l ec o n t r a s t e dw i t ht h ew a r p i n go fs l se x p e r i m e n tr e s u l t s ，i ti sf o u n d t h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ew i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e l l t h i ss t u d yh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o ro p t i m i z i n gs l sp r o c e s sp a r a m e t e r sa n df o r e c a s t i n gt h ef o r m i n gq u a l i t yo f s i n t e r e dp a r t s k e yw o r d s ：s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， t h e r m a l - s t r e s sc o u p l i n g ，d e f o r m a t i o n 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 快速成形技术l 1 2 选择性激光烧结技术2 1 2 1s l s 技术的基本原理2 1 2 2 s l s 技术的特点3 1 2 3s l s 技术研究现状4 1 3 选择性激光烧结数值模拟技术7 1 3 1s l s 数值模拟的意义7 1 3 2 聚合物粉末s l s 数值模拟技术研究现状8 1 4 本课题研究内容10 第二章聚合物粉末材料s l s 烧结机理研究1 1 2 1激光与粉末材料的相互作用1 1 2 1 1 粉末材料对激光的吸收1 1 2 1 2激光能量对粉末材料的加热1 2 2 1 3 热量在粉床中的传递过程一1 3 2 2s l s 烧结机理1 4 2 2 1s l s 烧结驱动力1 4 2 2 2 粘性流动机理15 2 2 3 聚合物s l s 烧结机理16 2 - 3 烧结件变形原理18 2 3 1 热应力18 2 3 2 收缩及翘曲变形1 9 2 3 3 影响变形的因素分析2 0 2 4 本章小结2 2 第三章s l s 有限元分析理论及关键问题处理2 3 3 1 有限元分析理论2 3 3 1 1 s l s 温度场分析基本方程一2 3 3 1 2s l s 热应力分析理论2 5 3 2 s l s 有限元分析中关键问题的解决方法2 7 3 2 1 导热系数确定2 7 3 2 2 相变潜热的处理2 9 v 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 3 3 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 第五章 5 1 5 2 5 3 3 2 3 移动热源的加载一3 1 3 2 4 热力耦合策略选择3 1 本章小结3 2 激光烧结温度场有限元模拟3 3 s l s 温度场有限元分析过程3 3 s l s 单层烧结温度场模拟3 5 4 2 1 单层烧结模型及加载算法一3 6 4 2 2 单层烧结温度场及温度梯度分布特征一3 7 4 2 3工艺参数对温度场及烧结宽度的影响一4 3 s l s 多层烧结温度场模拟4 8 4 3 i多层烧结有限元模型和加载算法4 8 4 3 2 多层烧结温度场分布特征一5 0 4 3 3 多层烧结温度梯度分布特征和烧结深度5 2 4 3 4 工艺参数对温度场及烧结深度的影响5 4 本章小结5 7 s l s 烧结热应力耦合分析5 8 热应力分析过程及算法5 8 热应力计算结果分析5 9 热应变计算结果及制件变形分析6 2 5 3 1 热应变分析：6 2 5 3 2 烧结件变形规律分析6 4 5 4 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 全文总结6 6 6 2 研究展望6 7 参考文献6 9 致谢7 3 攻读硕士学位期间发表的论文7 4 v i 江苏大学硕士学位论文 1 1 快速成形技术 第一章绪论 快速成形技术( r a p i dp r o t o t y p i n g & m a n u f a c t u r i n g ，简称r p & m ) 是2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的先进制造技术之一，可直接根据c a d 模型快速生产样件或零件 l i 2 】。它是在现代工业生产正在从大规模批量生产转化为小批量生产，产品丌发周期 和投放市场的时问越来越短的背景下产生的。 快速成形技术是一种与传统加工方法完全不同的新型加工方法，它彻底摆脱了 传统的“去除”加工法，而是采用全新的“增长”加工法，从零件的三维c a d 模型 出发，通过软件的分层离散和数控成形系统，用激光束或其它方法将材料逐层叠加 堆积，最后生成三维实体零件【3 4 j ，快速成形的工艺过程如图1 1 所示。 快速成形制件 s t l 文件转换 切 塞量 套0 ， 。“：一， i t “广：一，彳 ：j 一：，和 令， 图1 1 快速成形工艺过程 f i g 1 1r a p i dp r o t o t y p i n gp r o c e s s 快速成形技术集成了c a d 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成 果，突破了传统成形的工艺方法，能够在没有工装央具或模具的条件下，迅速制造 出任意复杂形状的三维实体零件，极大地提高了生产效率并且具有较高的制造柔性。 因此，r p & m 技术被认为是2 0 世纪末制造技术领域的一次重大突破，是制造业的一 次重大革命，并可能成为2 1 世纪的主流制造技术。 目前，国内外快速成形技术的工艺方法有很多种，根据使用的材料的形态( 气态、 蕊妒、飞一；磬渚 。艨曝 ， | | | | 圈 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 液态、固态或粉末) 和成形机理的不同，快速成形有以下几种比较成熟的方法【5 】：立 体光刻技术( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，简称s l a ) ，选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n g ，简称s l s ) ，分层实体造型( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) ， 熔融沉积造型( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) ，三维打印( t h r e ed i m e n s i o n a l p r i n t i n g ，简称3 d p ) 。 由于s l s 技术成形工艺简单、选材广泛，在新产品的研制开发、试制、模具制 造等方面均具有广阔的应用前景，因此，s l s 技术得到了迅速的发展，现已成为技 术最为成熟、应用最为广泛的快速成形技术之一。 1 2 选择性激光烧结技术 选择性激光烧结( s l s ) 又称为选区激光烧结，最初由美国德州奥斯汀大学分校 的研究生c r d e c h a r d 于1 9 8 6 年在其硕士论文中提出，并于1 9 8 9 年获得了第一个 s l s 技术专利。此后，该大学将其s l s 专利转让给美国d t m 公司( 2 0 0 1 年与美国3 d s y s t e m s 公司合并) ，d t m 公司于1 9 9 2 年将这一技术转化为现实，开发出第一台s l s 成形机。 1 2 1s l s 技术的基本原理 s l s 技术同其他快速成形技术一样，采用的是离散堆积成形的制造思想，其成 形过程可归纳为三个基本步骤：前处理、分层叠加成形和后处理【3 1 。前处理包括工件 三维模型的构造和三维模型的切片处理。首先利用三维c a d 软件在计算机中建立所 需零件的三维曲面或实体模型；然后根据工艺要求，利用切片软件将其按一定的厚 度进行分层处理，将三维c a d 实体模型转化为二维平面信息，即离散的过程。分层 叠加成形是s l s 加工的核心步骤，是指将分层后的数据进行一定的处理，设定加工 参数，产生数控代码，在计算机控制下，数控系统以平面加工方式连续、有序的加 工出每个薄层，并使它们相互粘接而成形所需的零件。s l s 烧结完成后，一般要做 些后处理工作，如去除粘接在工件上的多余粉末，再进行打磨、烘干或渗蜡等处理， 从而得到符合性能要求的零件。 s l s 分层叠加成形是在s l s 成形机上进行的，s l s 成形系统主要由激光器、激 光光路系统、工作台、铺粉滚筒和工作缸等几部分组成，如图1 2 所示。具体加工过 程为：( 1 ) 通过铺粉滚筒在升降台上的来回滚动，将烧结粉末均匀的铺设成具有一 2 江苏大学硕士学位论文 定压实度的粉床；( 2 ) 为降低烧结时所需的激光能量及提高烧结质量，粉床铺设完 毕后要利用预热系统对粉床进行一定程度的预热处理；( 3 ) 加工时激光经聚焦振镜 的聚焦作用后以圆形光斑照射在粉床表面上，激光光斑以预设的扫描方式和扫描速 度在烧结区域内移动，以使粉末烧结，成形时每一层烧结区域的形状由分层切片软 件处理三维c a d 模型而得到；( 4 ) 当一层烧结完成后，升降台下降一个分层厚度， 在铺粉滚筒的作用下继续铺粉，激光束在新的烧结层上继续扫描成形，并使当前烧 结层与已烧结层粘接在一起。重复以上工艺步骤直至烧结出工件原型。 预 粉 废 振镜激光器 1 2 2s l s 技术的特点 图1 ，2s l s 工艺原理示意图 f i g 1 2p r i n c i p l eo fs e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g 相对于其他快速成形方法，s l s 的突出优点在于该技术能使用的成形材料十分 广泛。此外，成形过程中用料节省、成形件用途广泛、成形过程无需设计和制造复 杂的支撑系统，因此，s l s 的应用越来越广泛。s l s 具有以下特点【5 。1 ： ( 1 ) 选材广泛、材料利用率高、制造工艺简单。从理论上讲，任何在加热后能 够形成原子间联接的粉末材料都可以作为它的成形材料，如尼龙粉、聚碳酸酯粉、 聚氯乙烯粉以及陶瓷或金属与粘结剂的混合粉等多种材料。由于选材广泛，s l s 工 艺按采用的原材料不同可以直接生产复杂形状的原型、三维构件或部件以及工具， 能广泛适应设计的变化。材料无浪费，未烧结的粉末可重复使用。 ( 2 ) 生产周期短，开发成本相对较低。从零件的c a d 设计到加工只要几小时 到几十个小时，且整个生产过程数字化，可以随时修正、随时制造。该特点使得s l s 技术特别适合用于新产品的研发。 3 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 ( 3 ) 成形过程与零件的复杂程度无关，制造柔性化，可以成形几乎任意几何形 状的零件，是真正意义上的自由制造，对于具有复杂内部结构的零件，s l s 具有传 统制造方法无法比拟的优势。与其他r p & m 方法不同，s l s 不需要预先制作夹具、 支架，未烧结的松散粉木就可以作为支架。 ( 4 ) 应用范围广泛。由于成形材料的多样化，使得s l s 适用于多种领域，如原 型设计验证、模具母模、精铸熔模、铸造型壳和型芯等。 1 2 3s l s 技术研究现状 ( 1 ) 选择性激光烧结技术国外研究概况 s l s 技术起源于美国德州奥斯汀大学分校，美国、德国的学者们进入s l s 研究 领域较早，因此，在该领域的研究一直处于领先地位，开发出了多款商用s l s 成形 设备。 1 9 9 2 年d t m 公司1 8 l 推出s i n t e r s t m i o n2 0 0 0 系列商品化s l s 成形机，随后又分别 于1 9 9 6 年、1 9 9 8 年推出了经过改进的s l s 成形机s i n t e r s t a t i o n2 5 0 0 和 s i n t e r s t a t i o n 2 5 0 0 h 惦，同时开发出多种烧结材料，可直接制造蜡模及塑料、陶瓷和金 属零件。欧洲最大的l 冲生产商德国e o s ( e l e c t r oo p t i c a ls y s t e m ) 公司1 9 j 也于1 9 9 5 年 先后推出e o s i n tp 3 8 5 、e o s i n t p 7 0 0 、e o s i n tm 2 5 0 、e o s i n tm 2 7 0 、e o s i n t $ 7 5 0 等多款s l s 成形机。其中e o s i n tp 系列成形机主要用于烧结热塑性塑料粉末，制 造塑料类功能件、熔模铸造和真空铸造等的原型；e o s i n tm 系列主要用于金属粉 末材料的直接烧结，可用于制造金属模具和金属零件；e o s i n ts 系列主要用于直接 烧结树脂砂类材料，制造复杂的铸造砂型和砂芯。e o s 公司对这些成形设备不断进 行改进和升级，使得s l s 设备的成形速度更快、成形精度更高、操作更方便，并可 制造尺寸更大的烧结件。 s l s 技术从诞生到在各个领域的广泛应用，在其近3 0 年的发展时间里，各国的 学者们除了对s l s 成形设备研究外，还对s l s 技术的烧结机理、成形工艺参数、烧 结材料、制件精度和质量控制、s l s 成形数值模拟等方面进行了广泛、深入的研究， 有力地推动了s l s 技术的发展。 1 9 9 6 年j p k r u t h 等学割1 0 , 1 1 】对s l s 的烧结理论进行了深入的研究，将s l s 成 形的烧结机理进行了分类，根据粉术颗粒不同的连接方式，将s l s 烧结机理分为四 大类：固态烧结( s o l i ds t a t es i n t e r i n g ) 、化学诱导粘接( c h e m i c a l l yi n d u c e db i n d i n g ) 、 部分熔化和液相烧结( l i q u i dp h a s es i n t e r i n gp a r t i a lm e l t i n g ) 和完全熔化( f u l l 4 江苏大学硕士学位论文 m e l t i n g ) ，并在实验研究的基础一h 还建立了s l s 物理模型。 。 在s l s 成形工艺方面，也有许多学者进行了相关的研究。2 0 0 2 年r h m o r g a n 等人【眩j 通过对烧结工艺参数进行优化，研究了扫描速度对烧结质量的影响，并在优 化工艺参数下制得了孔隙率小于1 的烧结制件。2 0 0 3 年k k b h o n 等人【1 3 1 对s i c 和聚合物混合粉末进行了s l s 烧结试验，分析了激光功率、扫描速度、扫描问距、 铺粉层厚等工艺参数对烧结件机械性能的影响。 烧结材料的研究是s l s 技术发展的关键坏节，s l s 的发展按所用原材料的特征 可分为两个阶段：第一阶段是利用s l s 技术烧结低熔点的材料来制造原型件和一定 性能要求的功能件。目前的烧结设备和工艺大多处于这一阶段，所用的材料是聚合 物、低熔点金属或陶瓷的覆膜粉末( 或与聚合物的混合物) 。第二阶段是利用s l s 技 术直接烧结高熔点的材料( 如金属、陶瓷) 来制造功能零件，这是快速成形制造的 最终目标之一，但金属直接成形时“球化”现象严重，目前成形质量较差难以满足 实际需要。 ( 2 ) 选择性激光烧结技术国内研究概况 我国快速成形技术研究起步于上世纪9 0 年代初，研究方式主要以跟踪研究为主， 技术和成形设备以引进为主。目前，已有多家企业或高校科研机构从国外引进了快 速成形制造设备，加快了我国快速成形技术的发展，取得了较好的经济和社会效益。 但由于技术引进价格昂贵，配套设备和成形材料也需要同时进口，从而造成生产成 本过高，使国内企业难以承受。为解决上述矛盾，掌握自主知识产权的快速成形技 术，国内众多高校和科研机构在国家8 6 3 、自然社会基金等的资助下，对s l s 技术 展开了深入的研究【1 4 】。 我国开展选择性激光烧结技术的科研单位主要有：华中科技大学、南京航空航 天大学、西安交通大学、中北大学、北京隆源自动成型系统有限公司、大连理工大 学等。各研究单位在成形理论、s l s 设备、切片软件、烧结材料、工艺方法等配套 技术开展了研究工作，并已经取得了许多重大成果。 北京隆源自动成型系统有限公司【1 5 l1 9 9 3 年就开始对s l s 技术进行研究，于1 9 9 5 年初研制成功第一台国产化激光快速成形机，经过多年的不断研究，已研发出可用 于烧结塑料、精铸模料、覆膜砂的a f s 3 6 0 、a f s 5 0 0 等s l s 成形机。 华中科技大学快速制造中心在高分子聚合物粉末的s l s 设备、烧结材料、成形 工艺、烧结理论等方面进行了深入的研究，逐渐成为聚合物s l s 技术国内领导者， 并成功研制出可用于烧结聚合物粉末的h r p s i i i 、h r p s i v 、h r p s v 等多款s l s 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 成形机，开发了多种可用于s l s 烧结的聚合物粉末材料，部分材料实现了商业化。 2 0 0 1 年李湘生等1 1 6 , 6 1 l 对s l s 成形时粉床预热和烧结时制件出现的收缩、翘曲变形等 现象开展了研究工作，建立了制件翘曲模型，分析了工艺参数对制件质量的影响， 指出激光功率、扫描间距和扫描线长是影响制件收缩的主要因素。2 0 0 6 年宾鸿赞等 1 1 7 1 对s l s 烧结成形过程中激光扫描路径进行了系统的研究，提出了分形扫描方式， 通过对树脂砂材料的s l s 研究表明，采用分形扫描方式得到的制件机械性能提高 2 0 。史玉升1 5 5 , 5 6 , 6 4 1 等对烧结材料进行了广泛的研究，分析了结品性聚合物和非结晶 性聚合物不同的成形特点。 南京航空航天大学对金属粉术、陶瓷粉术的s l s 成形开展了大量的工作。张剑 锋、赵剑锋等人【1 8 , 1 9 利用大功率c 0 2 激光器直接烧结成形n i 基金属粉末，从n i 基金 属粉末烧结熔化特征入手，分析了其烧结机理和其熔化凝固特性，建立了烧结模型， 为金属粉末烧结成形打下了可靠的理论基础。顾冬冬、胥橙庭等【2 0 , 2 1 】对多组元铜 基合金粉末s l s 进行了大量的研究，从直接金属激光烧结基本成形机制和综合调控 激光参数和铺粉参数入手，获得了金属激光烧结中改善成形精度和控制成形机制、 提高烧结致密度的基本规律。沈以赴、潘琰峰等人1 2 2 1 对3 1 6 不锈钢会属粉未s l s 进 行了研究，分析了激光直接烧结过程中工艺参数对“球化”效应的影响。 中北大学( 原华北工学院) 对s l s 技术开展了大量的研究，朱林泉等f 5 2 3 1 原创性 地提出了变长线激光扫描方式，突破了s l s 点扫描的传统模式，并成功研制出 l l s 一5 0 0 d 变长线扫描s l s 成形机，极大地提升了烧结质量。白培康等人【2 4 , 2 5 2 7 1 对覆 膜类s l s 材料进行了广泛的研究，开发出了可用于s l s 烧结的覆膜钼粉、覆膜不锈 钢粉术和覆膜陶瓷粉术，并对覆膜类粉术s l s 成形时的温度场进行了数值模拟分析。 江苏大学也在s l s 成形方面开展了广泛的研究工作。马涛对s l s 成形时激光扫 描方式和s l s 制件精度进行了深入的研究，分析了s l s 成形时翘曲现象产生的原因。 曹松【2 6 】对覆膜a 1 f e - n i 合金系金属纳米复合粉术材料的s l s 成形机理进行了研究， 利用正交实验法优化了材料配比和工艺参数。郭华峰、胡增荣纠2 7 1 在金属粉末直接 烧结温度场数值模拟和n i 基粉末激光烧结实验方面开展了深入的研究，通过测量烧 结深度、烧结宽度同时观察成形件微观组织来验证模型的正确性。张福周1 2 s , 4 4 n 用 大功率激光器对镍基合金f 1 0 5 f e 粉末进行了直接烧结成形，提出通过规划扫描路径 的方法来解决激光直接烧结镍基高温合金粉末成形金属零件所存在的微裂纹、微孔 洞、残余应力等成形缺陷。罗艳1 2 9 , 3 0 1 对尼龙和高密度聚苯乙烯混合粉术s l s 成形进 行了大量的实验研究。 6 江苏大学硕士学位论文 综合以上s l s 技术在国内外的发展概况可知，s l s 技术从诞生到现在，经过2 0 多年的快速发展，技术越来越成熟，应用领域也越来越宽广，但作为一种新型制造 技术，仍处于不断发展和完善的过程中。当前s l s 技术的研究热点主要分布在s l s 新材料的开发、烧结时粉末颗粒连接机理、成形件精度、工艺参数优化、s l s 成形 过程中温度场及热应力场模拟仿真等方面。由于聚合物粉末熔点较低、能直接成形 原型件或具有一定性能要求的功能件，因此，从成形材料方面，聚合物粉末选择性 激光烧结成形是当前s l s 技术研究的热点。 1 3 选择性激光烧结数值模拟技术 目前s l s 研究大多集中在实验研究、定性分析，大多数工艺过程是凭经验制定 的，这种状况与经济迅速发展所要求的高质量、低成本是不相适应的【3 l 】。采用科学 的数值模拟技术和少量实验验证，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通 过数值模拟解决一些目前难以在实验室罩进行直接研究的复杂问题。 1 3 1s l s 数值模拟的意义 s l s 成形时激光热源的高度集中性和不断移动使烧结过程中温度场分布不均匀， 烧结件受热膨胀、冷却收缩程度不同，从而导致了热应力和热变形的产生，严重影 响烧结成形质量1 3 2 1 。对粉末材料s l s 烧结热应力的有限元模拟可以掌握成形时温度 场、应力场的分布特征，分析影响烧结制件成形质量的材料因素和工艺因素，对于 选择合适的工艺参数、适宜的烧结材料、确定切片方向和降低温度梯度及其产生的 热应力具有重要意义。s l s 烧结材料种类众多，不可能对每一种材料都进行实际烧 结来研究其温度场、应力场的分布，无论是从经济上还是实际操作上考虑，这都是 难以实现的1 2 。因此，采用实验来研究烧结温度场的分布、热应力和热变形情况相 对困难，因而借助数值模拟技术和一定的实验验证来研究s l s 成形温度场、热应力 的分布不失为一种合理可行的方法。 利用计算机对粉末材料s l s 过程进行数值模拟具有明显的优势，主要表现为如 下两剧3 3 j ：( 1 ) s l s 数值模拟能够确定每瞬时的温度场、应力场分布。虽然不能 直接给出温度分布与工艺参数的函数关系，但它能对温度场分布进行分析、对热应 力场进行耦合计算，给出每一瞬时的温度场、应力场的信息，可预测成形质量。( 2 ) 数值模拟能够减少实验次数、节约实验成本，优化工艺参数。用数值方法仿真实际 7 聚合物粉末激光烧结热应力耦合数值模拟研究 烧结时的物理过程，能够通过数值模拟分析出所需考察因素的影响规律，为确定烧 结工艺参数提供依据。 在s l s 成形过程中，激光束能量密度高、光斑作用范围小、加热速度快，粉末 材料吸收热量由固态转换至熔融状态，随着激光热源的移动，温度降低凝固，整个 过程都与热问题密切相关，所以温度变化是粉木成形过程中的主要现象。因此，本 课题对聚合物粉末材料s l s 过程进行的温度场计算，并在此基础上进行的热应力、 热应变分析，不仪在学术上具有重要的研究意义，而且在s l s 实际成形工艺中也有 重要的应用价值。 1 3 2聚合物粉末s l s 数值模拟技术研究现状 对于聚合物粉木s l s 数值模拟，现有文献大多集中在非晶体粉末的研究，所使 用的材料主要有工程塑料、聚碳酸酯等【3 4 。37 1 。非晶体粉末烧结过程中，没有熔化潜 热、不产生相变，一些研究者将非晶体粉木烧结热模型处理为纯粹的热传导问题。 国内外学者一般采用数值法，如有限元法、有限差分法等方法来分析聚合物材料s l s 成形过程中的温度场和应力场分布，并取得了一些重要结论。 n e l s o n 等人对树脂包覆会属、陶瓷等粉末的激光点扫描烧结过程的温度场进行 了数值模拟研究，建立了激光烧结过程温度场的一维数学模型，但模拟计算结果与 实测值之间误差较大。1 9 9 0 年b a r l o w 等人在实验研究的基础上建立了a b s 粉末材 料激光烧结过程的一维数学模型，利用该模型可以计算出烧结深度1 5 j 。 1 9 9 8 年j o h nd w i l l i a m s 等人1 3 4 j 以经典热传导方程的求解为基础，对聚碳酸酯粉 木s l s 成形温度场进行了数值模拟，结果表明：s l s 过程中粉层表面的成形温度变 化较为剧烈，而底层温度变