聚合物選區激光燒結粉末加熱模擬

蔡令令，丁浩亮，孟 娟，溫 馨，嚴 波*

(1. 上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200030；2. 航天材料及工藝研究所，北京 100076)

0 引言

選區激光燒結(SLS)的優點有： 制造加工時間短、速度快；理論上可以加工任意復雜形狀的零件；對原材料的利用率較高等[1]。但是SLS仍需在燒結精度、產品力學性能等方面實現突破，因此更加深入地研究選區激光燒結機理尤為重要。ZHOU等[2]使用序貫式堆積法來實現具有相同或不同尺寸的不透明、擴散或鏡面反射的球形粒子的三維隨機堆積。ZHOU等[3]采用序貫加法堆積算法研究了球形顆粒在有/無振動作用下的隨機堆積問題。ARGENTO等[4]基于蒙特卡羅算法和射線跟蹤程序提出了一種確定多孔介質輻射特性的常規射線跟蹤方法。MA等[5]系統地研究了3種不同折射率情況下，球粒子在吸收介質中的輻射傳輸問題。COQUARD等[6]基于蒙特卡羅方法提出了一種預測不透明球形粒子床輻射特性的新方法。

選區激光燒結時激光加熱粉末的好壞將直接影響成型件的質量，粉末的溫度高低和分布均勻性至關重要。本文作者建立了SLS過程中的粉末堆積和激光加熱粉末的數值模型，采用C++自主開發了數值模擬軟件，模擬了粉末顆粒堆積和激光加熱粉末，通過數值模型研究了粉末溫度分布和熔池尺寸的影響因素及規律，如激光功率、掃描速度對粉末溫度的影響等。

1 粉末堆積模擬

選區激光燒結過程首先需要完成粉末材料在床體上的鋪粉過程，并根據實際鋪粉過程中的幾何特點來用數值模擬的方法來實現鋪粉過程。

采用序貫加法堆積[3]模擬隨機生成一個球體，使用下降和滾動規則讓每個球體沿著垂直的路徑運動，直到它的表面接觸容器的底部或堆積的球體。

圖1(a)描述了球體1在球體2上的垂直面向下滾動的情況；圖1(b)是球體1同時與2個球體保持接觸，球體1在與球體2和球體3接觸時向下滾動，直到與另一個球體(球體4)接觸，如圖1(c)所示，再進行穩定判斷，以確保下降的球體(球體1)處于穩定位置。

(a) 沿著1個球體表面滾動

(b) 沿著2個球體表面滾動

(c) 由3個球體穩定支撐

(d) 由3個球體不穩定支撐

2 激光加熱粉末模擬

如圖2(a)所示，選區激光燒結過程中，激光的能量通過輻射轉移到粉末上。由圖2(b)可知： 在燒結過程中，主要發生激光能量的吸收、反射、透射等。激光能量E和反射能量ER、吸收能量EA、透射能量ET的關系為：

E=ER+EA+ET

(1)

(a) 激光照射粉末

(b) 粉末吸收激光能量

粉末顆粒吸收激光的能量最終轉化為溫度，表現為粉末顆粒溫度的上升，能量與溫度的轉化關系為：

EA=ρVCp(T-T0)

(2)

其中：ρ為顆粒材料密度；V為顆粒體積，可由半徑根據球的體積公式算出；Cp為材料比熱容；T0為初始溫度即預熱溫度；T為粉末顆粒吸收激光能量后的溫度。

3 粉末堆積和加熱模擬結果

3.1 球體顆粒堆積結果與表征

從圖3的模擬堆積結果可以看出： 球體堆積排列較好，圖3顯示球體相互接觸的實際情況，與表1的數據對比，發現堆積致密度和配位數與文獻中的數據接近，說明球體堆積內部結構比較準確，模擬堆積的方法和程序是可行的。

(a) 1層隨機堆積

(b) 5層堆積

(c) 堆積滿容器

表1 模擬的堆積致密度和平均配位數與ZHOU等[3]的結果對比

3.2 激光作用粉末顆粒的模擬結果

3.2.1 不同激光功率下的溫度分布

激光照射后的粉末床體的溫度分布如圖4所示，在激光經過的地方，粉末顆粒溫度升高；未被激光照射的地方，溫度未發生變化；粉末靠近激光中心處溫度相對較高；遠離激光中心處溫度較低，符合高斯激光的能量分布。同時從圖5可以看出激光功率越高，則熔池平均溫度越高，熔池寬度也越大。

(a) P=50 W

(b) P=55 W

(c) P=60 W

(d) P=65 W

(e) P=70 W

(a) 熔池平均溫度

(b) 熔池寬度

3.2.2 不同掃描速度下的溫度分布

由圖6可知被不同掃描速度的激光照射后的粉末床體的溫度分布，從圖7可以看出： 掃描速度越高，則熔池平均溫度越低，熔池寬度越小。

(a) v=1 000 mm·s-1

(b) v=1 300 mm·s-1

(c) v=1 600 mm·s-1

(d) v=1 900 mm·s-1

(e) v=2 200 mm·s-1

(f) v=2 500 mm·s-1

(a) 熔池平均溫度

(b) 熔池寬度

4 結論

本文研究了SLS的粉末顆粒堆積、粉末顆粒溫度分布。建立了SLS粉末顆粒堆積模型和激光加熱粉末的光線跟蹤模型。采用序貫加法堆積算法來模擬選區激光燒結中顆粒的堆積過程，模擬結果與文獻中的模擬堆積的致密度和配位數相一致。在光線跟蹤過程中考慮了反射、透射和折射過程，激光作用粉末的模擬結果顯示： 被激光照射的粉末床體距離激光中心處溫度最高；遠離激光中心處，溫度降低，且距離越遠，溫度越低；熔池溫度隨著激光功率的增大而升高，熔池溫度隨著掃描速度的增加而降低。