SLS激光功率与烧结件弹性模量关系研究

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1、·现代设计与先进制造技术·董星涛王长志李文俊SLS激光功率与烧结件弹⋯⋯51SLS激光功率与烧结件弹性模量关系研究董星涛，王长志，李文俊(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州310014)摘要：为了研究利用SLS加工力学性能变化的功能件，首先分析了SLS成型机的粉床预热温度场，根据拉伸试验设计试样尺寸，烧结出9种激光功率下的试样；其次根据静力学拉伸试验数据，计算出了各种试样的弹性模量值；最后推导出SLS成型机激光功率与烧结件弹性模量间的数学模型。关键词：激光功率；弹性模量；烧结密度；数学模型；功能件中图分类号：TB30

2、3文献标识码：A文章编号：1672—1616(2012)19—0051—04选择性激光烧结技术(SelectiveLaserSinte．置，由于受形状因子的限制，粉床预热温度分布呈ring，SLS)是2O世纪8O年代后期兴起的一项高新不均匀性。王正伟通过密度试验的方法研究了技术⋯，该技术在新产品开发、模具制造、小批量粉床XY平面内的预热温度场，图1、图2分别为XY产品生产以及医学等方面得到广泛的应用。平面内轴、】，轴上各点试样密度值。根据SLS成B．VanHooreweder等人对选择性激光烧型机的预热保温设置，通过有限元仿真的方法模拟结件的密度

3、与机械性能都有所研究，但没有对SIS粉床预热温度场的分布情况，模拟结果如图3所加工零件的烧结密度与弹性模量关系进行研究。示，从中心区域向四周预热温度呈递减的趋势；粉为了用SIS加工力学性能变化的功能件，研究烧结床中心190mm×160mm区域内的温度较为稳定，密度与弹性模量间的关系就变得非常必要了。与SLS成型机设置的预热温度值相等。SIS加工的烧结件的密度受到激光功率、预热温度、扫描速度和扫描间距等加工参数的影响，而激光功率是影响烧结密度的主要加工参数。本文通过改变SIS成型机烧结时的激光功率烧结出9种试样，经过质量测量和静力学拉伸试验及简单计

4、算得到各组试样的密度和弹性模量值。通过对多孔件与基体材料的密度和弹性模量之间关系轴／mm式的推导，再对试验数据进行拟合分析，得到了SIS成型机烧结尼龙12材料时激光功率与弹性模图1X轴上烧结密度量间的数学模型。1粉床预热温度及试样的设计和烧结1．1粉床预热温度分析选择性激光烧结过程中，激光功率对烧结密度影响最大，而粉床预热温度对烧结密度也有较大的影响。本试验选用3DSystem公司生产的Sinter．图2Y轴上烧结密度stationHIQ+HS快速成型机，它采用板式预热装本文主要研究激光功率与烧结密度、烧结密度收稿日期：2012—05—09作者简

5、介：董星涛(1962一)，男，浙江宁波人，浙江工业大学副教授，硕士，主要研究方向为快速成型技术、cAD／cAM_／cAE和数字化医学工程技术。·现代设计与先进制造技术·董星涛王长志李文俊SLS激光功率与烧结件弹⋯⋯53式中：E为多孑L材料的弹性模量；E为基体材料3．2激光功率与烧结密度的弹性模量；p为多孔材料的密度；p为基体材料从表1可知，烧结密度随激光功率的增大而增的密度；C和A为常数。大。为了建立激光功率与烧结密度之间的数量关将式(1)进行变换，得到：系，现利用MATLAB对表1中激光功率与烧结密度数据进行拟合。E=C(p)(2)Ps定义激光

6、功率P为自变量，烧结密度P为因由于本文SIS成型机烧结所用的材料为尼龙变量，即二者之间表达式为：P=f(P)。经过一、l2，所以基体材料的密度和弹性模量是一个确定二、三、四次多项式的拟合比较，发现二次多项式的值，因此可以将CE／o看作一个常数，对式(2)拟合结果较好。式(6)为拟合得到的激光功率与两边同时取对数，得到：烧结密度的二次多项式，图9为激光功率与烧结密lnE=／Hnp+Ink(3)度的二次多项式拟合关系曲线。当激光功率小于对表1中的密度和弹性模量值分别取对数，并20W时，烧结密度随激光功率的增大呈线性趋势将数据输入到MATLAB软件进行

7、绘图和拟合，得增大；当激光功率大于20W时，烧结密度与激光功到图7和式(4)。由图7可知，烧结件弹性模量与率曾非线性关系。这说明烧结密度增大到一定的烧结密度呈线性关系。数值时，即使激光功率再增大，密度值也不会随之增加。P=一9．3467x10一P+5．9931×10一P一2．5726×10一(6)图7试验数据和拟合曲线．1nE=3．069491np+21．99782(4)式中3．06949即为式(1)中的A，21．99782"为式(3)中的Ink即In(CE／p)的值。将这些数据代回到式(2)，得到：图9激光功率与密度的拟合曲线E=3577106

8、248．4089(p)·∞(5)3．3激光功率与弹性模量式(5)即为最后得到的烧结件的密度与弹性模量的将式(6)代人式(5)得到激光功率