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美国EWI实验室研发全尺寸粉末床激光熔融零部件变形预测的新方法

2017-02-07 231浏览 标签: 美国变形预测

2017年2月2日,美国EWI实验室官网公布消息称成功研发了全尺寸粉末床激光熔融(L-PBF)零部件变形预测的新方法。由于热循环的膨胀和收缩造成的残余应力会导致零部件变形,从而影响零件质量。科研人员开发了一系列计算模型,对L-PBF工艺的温度、压力演化过程进行了研究。然而大部分的模型为了节约计算时间,只能选择采用细小网格对部分问题进行模拟,或者用粗大网格对全部问题进行模拟。为应对这一挑战,EWI实验室已经开发并验证了一系列的数值模型。

EWI实验室研发和评估了三种变形预测方法:移动热源法、线性加热法、层加热法。通过输入L-PBF的工艺参数,便可以对温度、应力、应变和变形进行预测分析。在分析之前,EWI研发的预处理模块可以将几何实体逐层分割,同时对于激光扫描模式创建激光加热线。在分析过程中,研发人员设计了特殊模块,用于模拟粉末的逐层沉积以及从粉末到固体材料的转变。

移动热源法和线性加热法:移动热源法利用Goldak双椭球热源模型,可以计算特定位置和时间的激光热流。由于激光的高速运动,每一个扫描可以视为单独的线性加热。模型的输入参数包括激光功率、行进速度等。如下图1表示,在4140钢部件制备过程中,采用移动热源法对温度的预测。而图2则表示,在IN718零部件生产过程中,利用线性加热法的预测。

  

1 移动热源法

 

2 线性加热法


移动热源法和和线性加热法都可以对温度、应力、应变以及变形等情况进行有效预测。与移动热源法相比,线性加热法可以有效减少计算所需要的时间。但是线性加热法仍然可能需要一周的时间,这是因为每一层都包含有大量的加热线。

层加热法:与线加热模型不同,层加热方法是加热一层或一层的某部分,这样可以大大提高计算速度,以及计算全尺寸零部件的能力。加热时间是层加热法的关键参数。


3 层加热法

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