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选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术是快速成型制造技术中发展较快的技术之一,具有可使用材料范围广、成型周期短、可制造具有复杂形状的零件等优点。它可以提高具有复杂形状的零件的开发效率,并快速应用到生产中。由于选择性激光烧结技术可用来生产金属零部件,因而一直是快速成型制造领域国内外学者的聚焦点。其研究成果可以应用于汽车、医疗器械、航空航天等行业中。SLS分为直接烧结和间接烧结两种,目前对金属粉末烧结的研究中大部分为直接烧结,而间接烧结研究相对较少,关于间接烧结机理、烧结参数对成型件性能的影响、烧结工艺参数的优化研究还不成熟。 针对上述背景,本文以316L不锈钢粉末为研究对象,从理论研究、数值模拟和实验研究三个方面对SLS间接烧结技术进行研究。具体研究内容为: (1)研究SLS间接烧结机理。通过分析材料对激光的吸收、激光对材料的加热作用,研究激光与粉末材料之间的相互作用,并总结出吸收率对加热作用的影响规律。系统地分析选择性激光烧结的三种成型机制,确定SLS间接烧结机制为液相烧结。从理论上分析前处理、材料特性、烧结参数、环境变化及后处理对SLS间接烧结成型件的质量影响。 (2)数值模拟分析。综合考虑烧结过程中材料性能参数和相变潜热的影响,建立有限元分析模型。利用Ansys软件中APDL语言编程模拟激光的移动过程,分析烧结过程的温度变化。利用Ansys软件中的生死单元技术模拟烧结过程中的粉末叠加过程,分析烧结过程中不同层烧结时温度场的变化及其对前一烧结层的影响。在单层烧结中,发现单道烧结时会对前一道及后一道材料再次加热;而多层烧结时,烧结每一层都会对上一层烧结过的粉末有加热作用。在温度场分析的基础上,分析烧结模型的耦合热应力场,发现材料受热后内部存在较大应力,从而使烧结件发生翘曲变形。 (3)实验烧结316L粉末研究。本文实验材料为316L和环氧树脂E-12的机械混合粉末,利用单因素法和正交实验法两种方法研究烧结过程中各烧结参数(激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距、铺粉层厚)对成型件质量的影响,以烧结件的压缩强度和尺寸精度为衡量指标。利用单因素法研究成型件压缩强度和尺寸精度随各烧结参数的变化规律。再利用正交实验,考虑烧结过程中各影响因素之间的相互作用,综合分析各烧结参数组对烧结件质量的影响,利用极差法分析出影响能力最大的影响因素。在综合分析单因素法和正交实验法的基础上,优化烧结参数,最终得出优化的参数组:激光功率为40%(最大功率为50W),激光扫描速度为1800 mm/s,激光扫描间距为0.15 mm,铺粉层厚为0.1mm,粉末配比为94∶6。