混合供粉式非金属激光烧结成型设备研制及仿真分析

混合供粉式非金属激光烧结成型设备研制及仿真分析1.引言1.1主题背景介绍非金属激光烧结成型技术作为快速成型技术的一种，近年来在航空航天、汽车制造、生物医学等众多领域得到了广泛应用。该技术以粉末为原料，通过激光束的烧结作用，使粉末材料在局部区域熔化并粘结，最终形成三维实体。混合供粉式非金属激光烧结成型技术在此基础上，通过改进供粉方式，提高了成型效率和成型质量。随着科技的不断发展，对非金属激光烧结成型设备的要求也越来越高。传统的激光烧结成型设备在成型速度、成型精度和材料利用率等方面已难以满足日益增长的市场需求。因此，研究混合供粉式非金属激光烧结成型设备的研制及仿真分析，具有重要的理论和实际意义。1.2研究意义与目的本研究旨在解决传统非金属激光烧结成型设备在成型速度、成型精度和材料利用率等方面存在的问题，提高非金属激光烧结成型技术的市场竞争力。具体研究意义如下：提高成型速度：混合供粉式非金属激光烧结成型设备可实现对粉末材料的连续、高效供应，从而提高成型速度，缩短生产周期。提高成型精度：优化设备结构设计，降低成型误差，提高成型件的尺寸精度和表面质量。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，减少材料浪费。促进非金属激光烧结成型技术在各领域的应用：提高设备性能，拓展其在航空航天、汽车制造、生物医学等领域的应用范围。1.3研究方法与技术路线本研究采用以下方法和技术路线：文献综述：查阅国内外相关文献资料，了解非金属激光烧结成型技术的发展现状、趋势以及存在的问题。设备设计与实现：结合混合供粉式非金属激光烧结成型技术的特点，设计新型设备，并通过实验验证其可行性。设备性能测试与分析：对研制的新设备进行性能测试，分析其成型速度、成型精度、材料利用率等指标。仿真分析：建立仿真模型，分析设备在不同工况下的成型效果，并与实验结果进行对比。设备优化与改进：根据实验和仿真分析结果，对设备进行优化与改进，提高其整体性能。2.非金属激光烧结成型技术概述2.1非金属激光烧结成型技术基本原理非金属激光烧结成型技术（LaserSinteringofNon-Metals，简称LSNM）是一种基于粉末床的增材制造技术。该技术主要利用激光束作为热源，对粉末材料进行局部加热，使其温度超过粉末的熔点，粉末颗粒在激光的作用下发生烧结，形成固体结构。与传统的制造方法相比，非金属激光烧结成型技术具有设计自由度高、生产周期短、材料利用率高等优点。基本原理如下：1.预处理：首先将CAD模型转换为STL文件，然后通过切片软件对模型进行分层处理，得到每一层的轮廓信息。2.建立粉末层：在成型缸内均匀铺撒一层粉末材料，粉末层厚度通常为0.05-0.1mm。3.激光烧结：激光束按照分层轮廓信息在粉末层上扫描，局部加热粉末颗粒，使其烧结成固体。4.成型缸下降：完成一层烧结后，成型缸下降一个粉末层厚度，重新铺撒粉末层，进行下一层的烧结。5.后处理：完成所有层的烧结后，取出零件，进行去粉、固化等后处理，得到最终产品。2.2国内外研究现状及发展趋势非金属激光烧结成型技术自20世纪90年代以来，得到了国内外研究者的广泛关注。目前，该技术在以下几个方面取得了显著进展：材料研究：国内外研究者已成功开发出多种适用于非金属激光烧结成型技术的粉末材料，如尼龙、聚酰胺、聚碳酸酯、陶瓷等。设备研制：国内外多家企业已推出商品化的非金属激光烧结成型设备，如德国的EOS、美国的3DSystems等。应用领域：非金属激光烧结成型技术已成功应用于航空航天、汽车、生物医学、建筑、文化创意等多个领域。发展趋势：1.材料多样化：随着材料研究的深入，未来将有更多类型的非金属粉末材料应用于激光烧结成型技术。2.设备性能提升：设备制造商将持续优化设备性能，提高成型速度、精度和稳定性。3.应用拓展：非金属激光烧结成型技术在更多领域的应用将得到拓展，为各行业提供定制化的解决方案。4.仿真与实验相结合：通过仿真分析，优化成型工艺参数，提高成型质量和效率。3.混合供粉式非金属激光烧结成型设备研制3.1设备设计与实现混合供粉式非金属激光烧结成型设备的设计理念源于对非金属粉末材料高效、高精度加工的需求。在设备设计过程中，我们重点关注以下三个方面：粉末供给系统：设计采用双料斗混合供粉方式，实现不同性质粉末的按比例混合。此系统包括螺旋输送器、振动料斗、混合室等部件，确保粉末流畅、均匀供给。激光烧结系统：选用高性能激光器，通过光学系统聚焦，实现对非金属粉末的烧结。同时，采用可调式激光扫描头，以满足不同零件的加工需求。成型室及运动系统：成型室采用密封设计，防止粉末污染。运动系统包括X、Y、Z轴以及旋转轴，采用高精度伺服电机驱动，实现成型过程中的精确运动控制。设备的具体实现过程包括以下步骤：设计与制造各部件，确保其满足性能要求。对设备进行组装、调试，保证各系统之间的协同工作。开发设备控制系统，实现对整个成型过程的实时监控和自动调节。对设备进行初步性能测试，确保其基本性能满足要求。3.2设备性能测试与分析为验证混合供粉式非金属激光烧结成型设备的性能，我们对设备进行了以下测试：粉末供给系统测试：测试混合供粉的均匀性、流动性等参数，确保粉末供给的稳定性和可靠性。激光烧结性能测试：通过加工标准试件，测试激光烧结的能量分布、烧结层厚度等参数，评价设备烧结性能。成型精度测试：通过加工复杂形状的零件，测量其尺寸精度、表面粗糙度等指标，评价设备成型精度。测试结果表明，设备在粉末供给、激光烧结和成型精度方面均表现出良好的性能，能够满足非金属激光烧结成型的高效、高精度需求。3.3设备优化与改进针对设备性能测试中出现的问题，我们进行了以下优化与改进：优化粉末供给系统：改进混合室结构，提高粉末混合均匀性；调整螺旋输送器转速，提高粉末流动性。调整激光烧结参数：优化激光功率、扫描速度等参数，提高烧结质量。提高成型精度：改进运动系统控制算法，降低成型误差；优化成型工艺参数，提高零件表面质量。经过优化与改进，混合供粉式非金属激光烧结成型设备的性能得到了进一步提升，为后续仿真分析及实际应用奠定了基础。4.仿真分析4.1仿真模型建立在混合供粉式非金属激光烧结成型设备研制的基础上，为了进一步优化工艺参数，提高成型质量和效率，本章对非金属激光烧结过程进行仿真分析。首先，基于有限元分析软件，建立了非金属激光烧结的数学模型和物理模型。该模型主要考虑了粉末材料的吸收、散射、热传导、熔化、凝固等物理过程。仿真模型中，粉末层厚度、激光功率、扫描速度、粉末材料属性等参数均与实际设备一致。通过网格划分，对模型进行离散化处理，以便进行数值求解。此外，为了提高仿真精度，还引入了自适应网格技术，以实时调整网格密度，保证计算精度。4.2仿真结果分析在仿真模型建立完成后，分别对激光烧结过程中不同参数下的温度场、应力场、熔池形态等进行了仿真计算。结果表明：随着激光功率的增加，粉末材料熔化区域扩大，熔池深度增加，但过高的激光功率会导致成型件表面出现球化现象，降低成型质量。扫描速度对成型件表面质量和成型效率有显著影响。扫描速度过快，会导致粉末材料熔化不充分，成型件出现裂纹；扫描速度过慢，成型时间延长，生产效率降低。粉末层厚度对成型件的成型精度和力学性能有一定影响。粉末层厚度较大时，成型件内部应力增大，易出现翘曲变形。通过仿真分析，可以为实际生产过程中工艺参数的优化提供理论指导。4.3仿真与实验对比分析为了验证仿真模型的准确性，本章对仿真结果与实验结果进行了对比分析。实验过程中，采用与仿真模型相同的设备、材料和工艺参数进行烧结实验。对比结果表明，仿真模型能够较好地预测非金属激光烧结过程中温度场、应力场等的变化趋势，与实验结果具有较高的一致性。但在某些局部细节方面，仿真结果与实验结果仍存在一定的差异，这可能是由于仿真模型中未能充分考虑实际过程中的某些复杂因素所致。总体来说，仿真分析在混合供粉式非金属激光烧结成型设备研制中具有较高的参考价值，可以为实际生产提供有益的指导。在后续研究中，将进一步优化仿真模型，提高其预测精度。5结论5.1研究成果总结本研究围绕混合供粉式非金属激光烧结成型设备的研制及仿真分析，取得了一系列的研究成果。首先，在设备设计与实现方面，我们根据非金属激光烧结成型技术的特点，成功研制出混合供粉式非金属激光烧结成型设备。该设备在结构设计上具有创新性，实现了粉末的混合供粉，提高了粉末的利用率，降低了生产成本。同时，设备在成型过程中具有良好的稳定性，成型件质量高，满足了非金属激光烧结成型技术在实际应用中的需求。其次，在设备性能测试与分析方面，我们对所研制的设备进行了全面的性能测试，分析了设备在不同参数下的成型效果。通过优化设备参数，提高了成型速度和成型精度，使得设备在满足高效率的同时，保证了成型件的质量。在仿真分析方面，我们建立了准确的仿真模型，并通过仿真结果分析，揭示了混合供粉式非金属激光烧结成型过程中温度场、应力场等关键参数的分布规律。此外，通过仿真与实验对比分析，验证了仿真模型的正确性，为设备优化与改进提供了理论依据。5.2存在问题与展望尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些问题需要进一步解决。首先，混合供粉式非金属激光烧结成型设备在长时间运行过程中，粉末的磨损和污染问题仍然较为严重，影响设备的