基于近红外激光的PES/CB烧结温度场仿真及工艺研究

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选择性激光烧结(Selective laser sintering,SLS)是目前国内外快速成型技术领域中较为完善的一种。传统的选择性激光烧结技术所采用的激光光源主要为CO2激光器,激光波长为10.6μm,需安装相应的水冷装置,因而存在体积过大、价格偏高和工作可靠性差等缺点。光纤激光器所发射的激光波长为0.96μm~2.05μm,属于近红外光,在应用成本和设备稳定性等技术指标上都有着突出优点,而且体积小,易于实现设备小型化,同时在激光波长、光束质量和功率等性能方面也完全满足选择性激光烧结技术工艺要求。本文设计并搭建基于波长1064 nm的近红外光纤激光器作为激光源的激光烧结设备光路系统,选用聚醚砜树脂(PES)和炭黑(CB)作为原材料,制备PES/CB复合粉末并进行激光烧结,探讨近红外激光烧结工艺对于烧结件性能的影响。首先,研究PES/CB复合粉末近红外激光烧结机理,分析激光与粉末之间能量传递过程,研究PES/CB复合粉末激光烧结熔融机理及热性能变化规律;采用COMSOL有限元软件建立移动高斯激光热源模型、粉床三维温度场模型,对PES/CB复合粉末近红外激光烧结过程进行模拟分析,研究激光作用时长对瞬态温度场的影响,探讨工艺参数(激光功率、扫描间距和扫描速度)对粉床的温度场分布及变化规律。使用热成像仪对激光烧结温度场仿真结果进行验证,为后续PES/CB复合粉末烧结工艺参数优化试验提供烧结工艺参数范围。其次,完成激光烧结设备近红外激光系统改进,分析CO2激光器及光纤激光器的优劣,根据所期望的激光束光斑大小设计基于扫描振镜+F-θ透镜对焦方法的光路系统,完成设备改进。制备PES/CB复合粉末,并使用扫描电子显微镜观察组织形貌。最后,制备不同组分配比的PES/CB复合粉末,进行近红外激光烧结试验,观察烧结件的微观组织形貌,探讨不同组分配比对PES/CB复合粉末烧结件微观组织形貌演变的规律,分析其对PES/CB复合粉末烧结件力学性能、尺寸精度的影响,得出变化趋势。分别研究激光功率、扫描速度和扫描间距的变化对PES/CB复合粉末烧结件的显微组织和力学性能的影响。采用正交试验完成PES/CB复合粉末近红外激光烧结工艺参数的优化。以烧结件拉伸强度、弯曲强度、密度、尺寸精度为评价指标,采用加权评分法分析正交试验结果获得PES/CB复合粉末近红外激光烧结最佳工艺参数组合。
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