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《华中科技大学》 2007年
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选择性激光烧结热物理过程分析与仿真研究

马良  
【摘要】: 快速原形制造技术使用逐层累加材料的方法制造零件,从制造哲理上突破了传统切削加工(材料去除)的思想桎梏。选择性激光烧结(SLS)技术是快速原形技术的一个重要分支,其工艺涉及机械、材料、粉末烧结、激光加工和传热等相关学科。本论文针对SLS中激光与粉末材料相互作用过程、激光烧结过程3D有限元仿真、基于材料特性的自适应切片技术及SLS虚拟试验系统等开展了研究工作。 分析了SLS粉末材料的构成特点,借鉴国际上流行的收集/重排堆垛模型的思想,应用Monte Carlo随机数仿真方法,构建了一种SLS粉末颗粒的新型堆垛模型,对SLS用单一尺寸和二元混合粉末材料的堆垛构形进行了仿真研究,为理论研究激光束与粉末材料相互作用提供了研究基础。在此基础上,讨论了粉末颗粒对激光束的吸收机理,建立了一种SLS光线跟踪模型,对激光束在SLS粉末颗粒中的传递、穿透行为进行了研究。综合使用所构建的SLS粉末堆垛模型和光线跟踪模型,探讨了激光波长、粉末材料组成特性等因素对吸收率的影响,同时对激光束在粉末材料中的穿透深度以及烧结区域进行了仿真研究,仿真结果与试验吻合。 针对SLS热物理过程,构建了3D温度场、应力场有限元分析模型,该模型不仅考虑了对流、辐射边界条件,以及材料热物理属性的非线性特征,而且,考虑了在粉末材料烧结成固体块材过程中热物理属性剧烈改变的问题,同时考虑了相变和激光束高斯分布特征等问题。利用有限元分析模型,对SLS过程不同的扫描路径进行了优化研究,发现在分形扫描方式中,Hilbert扫描方式达到的温度最高,烧结过程产生的平均温度梯度最小。通过仿真与树脂砂SLS的试验研究发现,与传统的“S”形扫描方式比较,Hilbert扫描方式烧结的薄板零件的变形降低了55.7%,烧结件的抗压强度提高20%左右。 开发了基于Pro/E的零件直接切片算法,该直接切片策略避免了因转换为STL文件导致的误差,可以安全、高效、精确地获取3D CAD模型的切片轮廓数据。在研究了几何自适应切片算法的基础上,提出了一种基于材料热物理特性的自适应切片方案,该切片策略综合考虑了3D模型的几何特性和SLS的工艺参数、材料热物理特性等信息,将自适应切片策略从几何层面推向物理层面进行了尝试。 综合上述研究成果开发了SLS虚拟试验系统,该虚拟试验系统能够从几何和物理层面对选择性激光烧结零件的过程进行仿真,可以对SLS激光扫描运动过程、铺粉运动过程,以及烧结过程温度场等物理信息进行3D动态显示。结合使用有限元分析工具,对SLS过程中温度场、应力场以及变形进行计算,从而为SLS的工艺优化研究开辟了一条新的途径。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TF124.5

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【引证文献】
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2 任继文;刘建书;;工艺参数对316不锈钢粉末激光烧结温度场的影响[J];组合机床与自动化加工技术;2010年08期
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1 马巧梅;基于半导体激光能量源的直接成型关键技术研究[D];中北大学;2010年
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1 彭蓓;选择性激光烧结加工仿真系统的研究与开发[D];华东交通大学;2009年
2 刘建书;选择性激光烧结数值模拟与加工仿真[D];华东交通大学;2011年
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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3 张坚,徐志锋,郑海忠,黄因慧;选择性激光烧结法制备聚合物/Al_2O_3纳米复合材料[J];材料工程;2004年05期
4 顾冬冬,沈以赴,潘琰峰,胥橙庭;直接金属粉末激光烧结成形机制的研究[J];材料工程;2004年05期
5 沈以赴,陈文华,赵剑峰,余承业,谭永生,刘方军;快速成形技术中材料成形性的研究进展[J];材料科学与工程;2001年04期
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9 李景新 ,黄因慧 ,赵剑峰 ,沈以赴;纳米材料激光选择性烧结成形的研究[J];电加工与模具;2002年01期
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【共引文献】
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2 崔建芳;党惊知;白培康;王建宏;;PS粉末激光烧结快速成型技术及其在铸造中的应用[J];工程塑料应用;2005年10期
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6 王青;徐港;;剪力墙结构弹塑性分析的QR法Ⅱ——计算格式、程序及算例[J];四川建筑科学研究;2006年06期
7 王开强;孙飞飞;胡大柱;;多弹簧梁柱单元在空间钢框架非线性分析中的应用[J];四川建筑科学研究;2007年06期
8 王江;周晖;宋雪峰;;变截面工形柱平面内弹塑性极限承载力研究[J];四川建筑科学研究;2008年01期
9 高轩能;李琨;;变截面门式刚架地震反应研究进展[J];四川建筑科学研究;2008年03期
10 徐海生;王修信;;火灾高温作用下钢筋混凝土梁截面温度场的计算与分析[J];四川建筑科学研究;2010年06期
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2 张应迁;石艳;唐克伦;刘明;;外压容器临界载荷特性研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
3 陈彦北;陆建;倪晓武;;激光作用金属板材塑性损伤的判定[A];光子科技创新与产业化——长三角光子科技创新论坛暨2006年安徽博士科技论坛论文集[C];2006年
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5 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
6 张汉云;张燎军;;基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
7 谭伦;王多垠;;内河框架直立式码头抗震分析方法及措施的探讨和应用[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
8 纪军;王安华;任增金;;圆沉箱内隔墙的设置方式[A];中国土木工程学会港口工程分会第七届港口工程技术交流会论文集[C];2011年
9 冯智睿;张恩龙;;隔膜泵曲轴的参数化有限元分析[A];科学发展与社会责任(A卷)——第五届沈阳科学学术年会文集[C];2008年
10 王佳佳;廖宁放;廉玉生;刘子龙;;基于八通道成像光谱仪图像配准技术研究[A];中国光学学会2010年光学大会论文集[C];2010年
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2 余波;惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究[D];中国工程物理研究院;2010年
3 张绚;双轴闪光照相系统中的散射问题研究[D];中国工程物理研究院;2010年
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5 陶磊;尼龙6/铜复合粉末选区激光烧结制造塑料模具的研究[D];南昌航空大学;2010年
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8 王睿;井筒受采空区塌落影响的破坏机理及治理研究[D];山东科技大学;2010年
9 赵永梅;方钢管混凝土火灾条件下温度场和温度应力研究[D];山东科技大学;2010年
10 王权;起重机减速器变位斜齿轮副有限元仿真分析与研究[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
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1 杨占尧,王学让,李长胜,唐一平;论快速成型技术的发展方向[J];工程塑料应用;2002年01期
2 尧舜;套格套;刘云;王翔鹏;姚迪;王立军;;高效率1.06μm波段大功率半导体激光列阵模块[J];半导体光电;2006年03期
3 张靖;刘刚明;田坤;廖柯;;大功率半导体激光器最新研究进展[J];半导体光电;2007年02期
4 朱林泉,程军;变长线扫描选择性激光烧结快速成型工艺的质量和效率优势分析[J];兵工学报;2002年01期
5 赵保军,汪苏,陈五一;STL数据模型的快速切片算法[J];北京航空航天大学学报;2004年04期
6 李鹏,熊惟皓;选择性激光烧结的原理及应用[J];材料导报;2002年06期
7 顾冬冬,沈以赴,潘琰峰,胥橙庭;直接金属粉末激光烧结成形机制的研究[J];材料工程;2004年05期
8 潘琰峰,沈以赴,顾冬冬,杨家林,王洋;工艺参数对316不锈钢粉末激光烧结球化的影响[J];材料工程;2005年05期
9 白培康,李明照,方明伦,程军;覆膜不锈钢粉末选择性激光烧结成型机理研究[J];材料工程;2005年08期
10 沈以赴,陈文华,赵剑峰,余承业,谭永生,刘方军;快速成形技术中材料成形性的研究进展[J];材料科学与工程;2001年04期
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1 张剑峰;Ni基金属粉末激光直接烧结成形及关键技术研究[D];南京航空航天大学;2002年
2 盛亮;基于实体的数控加工仿真关键技术的研究与实现[D];南京航空航天大学;2005年
3 沈显峰;多组元金属粉末直接激光烧结过程数值模拟及烧结区域预测[D];四川大学;2005年
4 刘锦辉;选择性激光烧结间接制造金属零件研究[D];华中科技大学;2006年
5 章文献;选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D];华中科技大学;2008年
6 顾冬冬;激光烧结铜基合金的关键工艺及基础研究[D];南京航空航天大学;2007年
7 王会凤;复杂模型分割制造关键技术研究及应用[D];上海交通大学;2008年
8 闫春泽;聚合物及其复合粉末的制备与选择性激光烧结成形研究[D];华中科技大学;2009年
9 刘冰;快速成形工艺软件的若干关键技术研究[D];华中科技大学;2009年
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1 焦中飞;基于轮廓失效激光快速成型法的螺旋桨数字化铸造技术研究[D];大连理工大学;2011年
2 梁红英;覆膜金属粉末选择性激光烧结快速成型工艺研究[D];华北工学院;2002年
3 刘永志;温度场的有限元数值模拟及其在塑件和模具冷却分析中的应用[D];郑州大学;2003年
4 龙瑞;快速成型直接切片技术研究[D];南京理工大学;2003年
5 刘捷;激光数控加工专用PCI总线运动控制卡研究[D];华中科技大学;2004年
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8 陈宝庆;基于覆膜砂的选择性激光烧结快速成型基础实验研究[D];大连理工大学;2005年
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10 魏书军;高功率半导体激光器阵列参数测试仪研制[D];山东大学;2005年
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1 李悦凤;;用“正交试验法”优化精超滚锥轴承滚道的工艺参数[J];组合机床与自动化加工技术;2012年05期
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4 张宇民,韩杰才,赫晓东,杜善义;快速成形技术在陶瓷领域中的应用[J];材料工程;1999年11期
5 肖泳,胡克鳌,吴人洁;聚环氧乙烷/Li_xMoO_3纳米复合材料的制备及性能[J];材料工程;2001年03期
6 余晴春,黄海燕,朱沁伟,吴益华;PEG/VXG纳米复合材料的新研制方法[J];材料工程;2001年03期
7 张永忠,席明哲,石力开,程晶,徐骏;激光快速成形316L不锈钢研究[J];材料工程;2002年05期
8 顾冬冬,沈以赴,潘琰峰,胥橙庭;直接金属粉末激光烧结成形机制的研究[J];材料工程;2004年05期
9 曾大文,王毛球,谢长生;Co基合金激光熔覆层的局部组织特征[J];稀有金属材料与工程;1998年02期
10 白培康,赵山林,程军;覆膜金属粉末激光烧结过程温度场的数值模拟[J];测试技术学报;2000年04期
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5 谭月梅;胡庆夕;周克平;吴懋亮;;选择性激光烧结中工艺参数对成型质量的影响[A];先进制造技术论坛暨第三届制造业自动化与信息化技术交流会论文集[C];2004年
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7 刘洁;芦刚;伍志刚;史玉升;;基于ANSYS软件的注塑模随形冷却流道的热分析[A];第13届全国特种加工学术会议论文集[C];2009年
8 郭艳玲;姜凯译;辛宗生;曾伟梁;;木粉/PES复合粉末选择性激光烧结成形及后处理技术研究[A];第14届全国特种加工学术会议论文集[C];2011年
9 赵保军;施法中;冯涛;孙建民;徐海然;;选择性激光烧结过程中致密化程度的数值模拟[A];2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年
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1 本报记者 华凌;给你一双个性化的鞋[N];科技日报;2008年
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5 李山;智能标签可无痕封存于金属内[N];科技日报;2009年
6 王立群 周文慧;结构强度预研战线上的带头人[N];中国航空报;2010年
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1 马良;选择性激光烧结热物理过程分析与仿真研究[D];华中科技大学;2007年
2 庞国星;粉末激光烧结快速成型工艺及后处理涂层研究[D];中国矿业大学(北京);2009年
3 江发潮;汽车AMT电控单元虚拟试验系统的研究[D];中国农业大学;2003年
4 王树凤;汽车操纵稳定性虚拟试验系统的研究[D];中国农业大学;2002年
5 汪艳;选择性激光烧结高分子材料及其制件性能研究[D];华中科技大学;2005年
6 王荣吉;选择性激光烧结工艺的试验与优化方法研究[D];湖南大学;2005年
7 文世峰;选择性激光烧结快速成形中振镜扫描与控制系统的研究[D];华中科技大学;2010年
8 鲁中良;不锈钢粉末选择性激光烧结/等静压复合成形技术研究[D];华中科技大学;2008年
9 杨劲松;塑料功能件与复杂铸件用选择性激光烧结材料的研究[D];华中科技大学;2008年
10 闫春泽;聚合物及其复合粉末的制备与选择性激光烧结成形研究[D];华中科技大学;2009年
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1 刘建书;选择性激光烧结数值模拟与加工仿真[D];华东交通大学;2011年
2 姜凯译;木塑复合材料选择性激光烧结实验与后处理研究[D];东北林业大学;2011年
3 王鹏;无粘结剂条件下Al_2O_3粉体选择性激光烧结工艺研究[D];郑州大学;2011年
4 董渠;基于模拟的选择性激光烧结工艺过程的优化研究[D];苏州大学;2010年
5 朱卓宇;选择性激光烧结快速成形的工艺改进[D];西安科技大学;2011年
6 梁红英;覆膜金属粉末选择性激光烧结快速成型工艺研究[D];华北工学院;2002年
7 李广慧;选择性激光烧结快速成型制件精度的研究[D];哈尔滨理工大学;2003年
8 马金玲;制备聚苯乙烯微球的新方法探究研究及其在激光成型领域的应用[D];广东工业大学;2012年
9 彭蓓;选择性激光烧结加工仿真系统的研究与开发[D];华东交通大学;2009年
10 张建梅;SLS用成型材料STP1的研制及其烧结成型工艺的研究[D];华北工学院;2002年
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