選擇性激光燒結-等靜壓復合工藝數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、選擇性激光燒結（Selective Laser Sinter，SLS）能成形高復雜制件，但制件存在孔隙率高和強度低的缺陷。等靜壓技術分為冷等靜壓（Cold Isostatic Pressing,CIP）和熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing，HIP）兩類，利用了液體或氣體介質的均一性。
　　 利用該方法制造的制件組織結構均勻、無成分偏析、尺寸精度高以及變形率低，但也存在包套設計困難、零件成形精度難于控制且無法成

2、形高復雜結構等缺陷。為此，本文將SLS與等靜壓相結合，形成SLS/等靜壓復合工藝，充分利用它們各自的技術優(yōu)勢，取長補短，實現(xiàn)高性能復雜零件的快速高效制造。
　　 在傳統(tǒng)的等靜壓成形應用中，往往采用反復試驗的方法，導致制造的零件結構和性能難以保證，而且工藝復雜、周期長，需耗費大量的勞力和物力。如果在正式成形之前對等靜壓成形過程進行精確的有限元數(shù)值模擬，將會有效地減小制件變形，提高一次近凈成形的精度和質量。自上世紀九十年代初至今，瑞

3、典、法國、美國等西方制造業(yè)發(fā)達國家在這方面進行了大量研究。但是，關于本文SLS/等靜壓復合工藝數(shù)值模擬方面的研究，國內(nèi)外均無相關的研究報道。因此，本文采用了數(shù)值模擬和試驗研究兩種手段，對SLS/HIP和SLS/CIP 兩種復合成形技術進行研究，主要內(nèi)容和結論如下：
　　 詳細分析和描述了CIP和HIP 致密化過程，并基于SLS制件為“可壓縮的連續(xù)體”的假設條件，建立了SLS制件的材料模型，即在CIP中采用Cam-Clay模型研究

4、CIP 致密化過程，HIP中采用Cam-Clay與多孔材料模型共同研究HIP 致密化過程；同時，介紹了本文所采用的有限元模擬系統(tǒng)——ABAQUS 6.4。
　　 論述了SLS/HIP 復合技術成形復雜金屬零件的工藝。以316L不銹鋼粉末材料成形的長方體SLS制件為研究對象，實現(xiàn)了SLS制件HIP數(shù)值模擬，得出了SLS制件HIP 處理后的應力分布、變形圖和位移分布以及關鍵點變形量隨時間變化曲線；
　　 最后，對多種金屬粉末

5、材料成形的制件進行HIP 試驗，結果發(fā)現(xiàn)由于氮化硼粉末填充密度過低及其填充密度分布不均勻而造成的制件受力不均，導致制件變形極不均勻，且形狀精度誤差較大。
　　 論述了SLS/CIP 復合技術成形復雜金屬零件的工藝。以304L不銹鋼粉末材料成形的SLS制件（方法體、齒輪）為研究對象，首先選取一系列壓力，在ABAQUS平臺上實現(xiàn)了長方體制件CIP 有限元模擬，得出相對密度與壓力之間的關系；并以此為依據(jù)，通過對不同脫脂溫度(1100℃

6、、850℃)下得到的SLS制件（長方體、齒輪）進行CIP數(shù)值模擬，預測了SLS制件CIP后的尺寸，并以其中一個長方體和齒輪為例，詳細說明了其相對密度分布、變形等情況；然后，實現(xiàn)了SLS制件CIP試驗，并與模擬結果對比，結果發(fā)現(xiàn)長方體在Z方向上的收縮率誤差比較大（19.1%～34.9％），齒輪在齒根處誤差比較大（-47.97%）。另外，通過CIP模擬和試驗，發(fā)現(xiàn)在不同脫脂溫度(1100℃、850℃)下得到的長方體制件CIP后的收縮比例相差