尼龙6选择性激光烧结成形模拟及工艺优化研究

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尼龙(Polyamide 6,PA6)具有良好的热稳定性与优异的力学性能,广泛地应用于工程领域。选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS)是一种通过红外激光作为能源,在计算机的控制下将粉末层层堆积的增材制造技术。PA6属于高性能聚合物,在SLS成形时需将加工温度保持在“烧结窗口”内,成形所需温度高(170℃~196℃)、温度均匀性要求高,目前对其成形工艺研究较少。为了获取PA6材料成形的最佳工艺,本文主要开展了以下工作:首先,通过实验手段研究了激光功率与扫描速度对制件的精度、致密度、抗拉强度的影响规律。结果表明,单位时间内的热输入量越大,由于激光照射的尺寸盈余作用,制件三个维度的正向偏差呈增大的趋势;制件的致密度与抗拉强度先因为粘结程度增加而增大,而后由于过度烧结而减小。其次,建立了PA6在SLS过程中的温度场有限元模型。模拟结果表明,由于加工前的高预热温度与PA6热导率较低的原因,PA6材料在加工过程中能保持良好的熔融状态。随着激光功率的增加与扫描速度的减小,由于热输入率的增大,熔池的三维尺寸增加。同时,采用单层烧结实验对不同工艺参数的熔池深度的仿真结果进行了验证,最小相对误差仅为2.7%。通过双层温度场的仿真,分析了长边同向、长短边交叉、短边同向三种不同的扫描路径的节点温度差异。进一步地,建立了小尺寸制件烧结过程的线弹性应力计算模型,发现制件的热应力、残余应力与翘曲值均较小。随着激光功率的增大、扫描速度的减小,温差增大,制件的翘曲程度增大。通过固有应变模型模拟了大尺寸制件的翘曲值,并与实验结果对比进行验证,相对误差为19.4%。最后,将上述实验与模拟结果通过多项式拟合或响应面的方式,针对熔池、精度、致密度、力学性能建立了工艺推荐图谱或方程。并将最优工艺参数的制件与注塑件的表面形貌、热学性能、结晶形态、力学性能进行对比,为生产提供指导作用。
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