[发明专利]一种激光选区熔化过程的数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种激光选区熔化过程的数值模拟方法：第一步：增材制造过程仿真的有限元模型建立；第二步：增材制造过程有限元模型网格划分，采用全六面体网格划分；第三步：定义打印粉末材料属性，增材制造过程温度场分析必须确定的热物理性能参数；第四步：移动热源的加载其控制方程；第五步：增材制造过程及烧结结束后热应力场及总变形量变化分析。本发明的数值模拟方法，提供一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，能优化打印参数、防止零件发生翘曲、变形；为支撑结构设计，打印策略(速度，方向)，降低废品率，做到“一次成功”提供有效指导。

技术领域

本发明属于激光打印技术领域，具体涉及一种激光选区熔化过程的数值模拟方法。

背景技术

激光选区熔化技术(3D Printing Technology)是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印金属粉末等材料来成形物体模型的技术。其成形原理是：先在计算机上利用CAD软件设计出零件的三维实体模型，再通过切片软件对三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照填充扫描线，控制激光束选区熔化各层金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。

激光选区熔化技术是近些年来制造领域的一个重大成果，被认为是第三次工业革命的前奏，其可快速、精确地将设计转变为具有一定功能的原型或制造零件，涉及机械制造、航空航天及医疗生物等领域。

激光选区熔化技术由于其能高效、精密的成型传统加工无法成形的零件，而被越来越多的研究人员所关注。近年来，大部分航空航天类零件都具有复杂的外表面和内腔结构对传统制造业带来巨大的冲击与挑战，而增材制造技术凭借其内在的优势在这些方面要明显优于传统制造技术。然而，在其成形过程中，由于激光束急速加热、迅速冷却，不可避免地会引起热应力分布的显著不均衡，现有金属粉末选择性激光成形过程中，零件存在翘曲、变形、裂纹等现象时而出现。

针对目前增材制造领域零件成形过程中应力所产生的诸类缺陷，研究者们试图通过改善工艺、调试参数去完善，由于缺乏经验、依赖试错方式、材料成本投入巨大而影响企业经济效益。而传统有限元仿真技术同样不能满足增材制造的特殊性和技术研究的需求。由于增材制造过程需要考虑金属金相变化的时域热机耦合仿真，传统仿真需几百个小时才能得到仿真结果，远远跟不上设计开发进程，大大削弱了增材制造本身的“快速原形制造”的优势；增材制造仿真的有限元网格需要严格地与CAD的逐层切片保持一致，这就给利用目前的通用网格划分软件进行建模带来了极大困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光选区熔化过程的数值模拟方法。针对目前零件实际打印过程中存在的翘曲、变形问题，通过CAE仿真整个打印过程，预测零件最终的变形及残余应力分布，为支撑结构设计、降低废品率，提供有效指导。

本发明所采用的技术方案是，一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，具体包括如下步骤：

第一步：增材制造过程仿真的有限元模型建立；

第二步：增材制造过程有限元模型网格划分，且模型采用全六面体网格进行划分；

第三步：定义打印粉末材料属性、增材制造过程温度场、应力场分析必须确定的热物理性能参数及力学性能参数；

第四步：增材制造过程移动热源控制方程的确定及热源的加载；

第五步：增材制造过程及打印结束后热应力场及总变形量变化分析。

本发明的特点还在于：

第一步具体按照以下方法实施：

针对增材制造实体零件，在三维软件中建立打印模型的CAD实体模型；通过模型分层处理软件，创建三维实体模型的三角面片颗粒单元；再通过对三角面片颗粒单元进行增材制造过程的装配叠加，将三维实体模型和增材制造过程联系在一起构建有限元模型，建模的过程与增材制造的过程保持一一对应。