选择性激光熔化制备多层钛合金零件制备过程的有限元模拟开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1. 目的及意义(含国内外现状分析)

相对于传统生产过程所用的“减材加工”方法而言,3D打印是一种“增材制造”技术,其结合了计算机软件、材料、机械等多领域的系统性、综合性特点,运用粉末金属或线材塑料等可黏合材料,通过选择性黏结逐层堆叠积累的方式来制造实体零件,可省去繁琐的工序,快速打印出形状复杂的零件[1-3]。3D打印技术以其独特优势,使其成为“第三次工业革命”的重要标志。其中选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting简称SLM)作为3D打印技术的一种,具有操作简单,生产的零件力学性能优良,表面质量好,尺寸精度高,节约原材料的特点。随着科技的快速发展,3D打印技术在医学、航天、汽车、电子、生物、建筑、艺术等领域都得到了广泛的实际应用[4,5]

1.1选择性激光熔覆技术

选择性激光熔覆技术作为近年来制备金属的热门增材制造方法,相对于激光烧结技术(SLS),其更加适用于制造高密度的金属材料,且不需要复杂的后续处理[8]。其主要操作步骤是先由工程制图软件绘制出零件模型并生成STL 格式的文件,再由合适的激光器按照STL格式的文件生成的数控代码对均匀铺在金属基板上的一层粉末进行选择性激光熔覆,被熔化粉末冷却后固化在一起形成零件的实体部分,当一层粉末加工完成以后,在计算机的控制下,工作缸降低一定的高度,同时送粉系统把金属粉末往上送出并由铺粉机构重新铺设一层很薄的金属粉末,激光束始新一层的扫描,系统不断重复这一过程,直到叠加堆积成三维实体零件。

目前我国正在大力发展飞机制造业,选择性激光熔化技术在飞机零件制造上具有不可比拟的优势,不仅可以快速地生产出小批量飞机零件,而且在产品开发阶段可大大缩短样件加工时间,节省大量开发费用。SLM技术的优点总结如下[9-11]

(1)能将CAD模型直接制成终端金属产品,只需要简单的后处理或表面处理工艺。

(2)适合各种复杂形状的工件,尤其适合内部有复杂异型结构(如空腔、三维网格)、用传统机械加工方法无法制造的复杂工件。

(3)能得到具有非平衡态过饱和固溶体及均匀细小金相组织的实体,致密度几乎能达到很高,SLM零件机械性能与锻造工艺所得相当。

(4)使用具有高功率密度的激光器,以光斑很小的激光束加工金属,使得加工出来的金属零件具有很高的尺寸精度以及很好的表面粗糙度值。

(5)由于激光光斑直径很小,因此能以较低的激光功率熔化高熔点金属,使得用单一成分的金属粉末来制造零件成为可能,而且可供选用的金属粉末种类也大大拓展了。

(6)能采用钛粉、镍基高温合金粉加工解决在航空航天中应用广泛的、组织均匀的高温合金零件复杂件加工难的问题;还能解决生物医学上组分连续变化的梯度功能材料的加工问题。

由于SLM技术具有以上优点,它具有广阔的应用前景和广泛的应用范围,如机械领域的工具及模具(微制造零件、微器件、工具插件、模具等)、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件(齿、脊椎骨等)、电子领域的散热器件、航空航天领域的超轻结构件以及梯度功能复合材料零件等。

在航空航天领域,应用较多的是典型的多品种小批量生产过程,尤其是在其研发阶段,SLM技术具有不可比拟的优势。

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