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
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,超過三分之一的引擎是由3D打印完成的。
不過要生產(chǎn)出GE的引擎這樣的關(guān)鍵零部件,需要對加工的過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)及工藝路線優(yōu)化提供了方向,提高對裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力及對工藝的控制能力。
本期通過文章《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》一文來領(lǐng)略基于Ansys workbench軟件對SLM打印機(jī)鋪粉過程、鋪粉裝置與變形件發(fā)生碰磨的過程如何進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析,并針對不同形狀刮刀進(jìn)行了對比,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)。
選擇性激光熔融過程中鋪粉環(huán)節(jié)對成型過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)的方法對這些過程進(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這一過程進(jìn)行詳細(xì)的描述。
而針對該過程建立相應(yīng)的模型,采用有限單元法或離散單元法對鋪粉過程進(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程,對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)和鋪粉過程中粉末對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 對比了兩種不同形狀刮刀鋪粉過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,鋪粉過程變形小,該過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程,打印件的制備過程中由于各部位不均勻受熱以及熱循環(huán)和相轉(zhuǎn)變過程中的膨脹和收縮會產(chǎn)生一定變形,打印件高度方向的變形量超過鋪粉層厚會在下一層鋪粉時(shí)與刮刀產(chǎn)生碰磨,以致?lián)p壞工件造成工件報(bào)廢,或損壞刮刀對后續(xù)的鋪粉產(chǎn)生影響。
所以對刮刀在發(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),對應(yīng)著會產(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
評價(jià)不同形狀刮刀的優(yōu)劣需要綜合計(jì)算和評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)一步對相應(yīng)工況下的鋪粉效果和刮刀的壽命等進(jìn)行評估,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),因此我們針對這一相對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對比了四種不同設(shè)計(jì)形狀刮刀刮過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程中,無論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,刮過障礙物的過程中較小的受力使得刮刀磨損較少,延長使用壽命。
(2)鋪粉過程中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)對其他區(qū)域鋪粉過程的影響較小,保證整層鋪粉的均勻。
總的來說,通過與物理實(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程中的受力及變形情況,對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)及工藝路線優(yōu)化提供方向,縮短相應(yīng)的研發(fā)流程。
文章來源:(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?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“本文來源”,并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任