增材制造技術(shù)在航空航天、醫(yī)療技術(shù)及運(yùn)輸和能源中的應(yīng)用得到快速增長,其常用方式之一是基于粉末加工。該技術(shù)主要瓶頸之一往往與鋪粉過程形成的粉層質(zhì)量有關(guān),顆粒動力學(xué)機(jī)制尚不清楚,且受鋪粉裝置的類型和顆粒的黏附性影響很大。本工作基于實(shí)驗(yàn)測量和表征的單個顆粒的真實(shí)物理和力學(xué)參數(shù),采用離散元方法對增材制造常用氣霧化金屬粉末的鋪粉過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,比較了刮刀和輥?zhàn)觾煞N鋪粉裝置中粉堆內(nèi)顆粒速度和軌跡及最終鋪粉層的質(zhì)量,并分析了這些參數(shù)對顆粒黏附表面能的敏感程度。結(jié)果表明,相比于刮刀鋪粉,在輥?zhàn)愉伔圻^程中,由于輥?zhàn)有D(zhuǎn)運(yùn)動的作用,粉堆內(nèi)部存在多條拱形速度帶和顆粒對流,且在形成鋪粉層之前,顆粒需要經(jīng)歷爬坡上升和下坡滑落兩個過程,運(yùn)動軌跡更長。另外,兩種鋪粉裝置中鋪粉層顆�？傮w積均隨顆粒表面能的增加而降低,但與刮刀鋪粉相比,輥?zhàn)愉伔壑袖伔蹖宇w�？傮w積小,且對顆粒表面能更加敏感。鋪粉裝置類型和顆粒黏附性對鋪粉層質(zhì)量的影響可以歸因?yàn)殇伔蹖拥男纬蓹C(jī)制,即顆粒從粉堆中進(jìn)入鋪粉間隙的難易程度及鋪粉間隙中刮刀或輥?zhàn)訉︻w粒的拖曳作用。 

【文章來源】：過程工程學(xué)報(bào). 2020,20(11)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

法向接觸力Fn在加載階段(a)和卸載階段(b)隨法向重疊量α的變化

將顆粒尺寸劃分為4種尺寸帶，即15～25,25～35,35～45和45～55μm。對于每種尺寸帶，隨機(jī)選取幾個顆粒，并采用球元拼接的方式對其形狀進(jìn)行重構(gòu)，共24種顆粒形狀，如圖2所示。每種顆粒形狀的概率分布滿足總的顆粒尺寸分布(基于顆粒數(shù)量)，即15～25,25～35和35～45μm三種尺寸中的19種顆粒的概率均為5%，而45～55μm中5種顆粒的概率均為1%。由于鋪粉間隙小，鋪粉動力學(xué)行為受大顆粒影響大，故采用D90作為基本尺度。為了降低模擬時間，在模擬過程中，將楊氏模量縮小為實(shí)驗(yàn)值的1/100，即Esim=2.1 GPa，而表面能則基于H?rvig等[30]和Washino等[31]的理論[即式(5)，保證顆粒黏附功不變]進(jìn)行成比例降低，即Гsim=1.4 m J/m2，以保證顆粒的動力學(xué)特性保持不變。

為了研究不同鋪粉裝置對鋪粉過程的影響，本工作還模擬了刮刀鋪粉過程，即將圖3中輥?zhàn)痈鼡Q成刮刀，并采用相同的線速度U=0.08 m/s和鋪粉間隙δ=2D90。同時，為了揭示不同鋪粉裝置對顆粒黏附性的敏感程度，本工作還采用了一種虛擬顆粒，即將表1中的顆粒表面能增加到8倍：Г*=72 m J/m2或Г*sim=11.2 m J/m2。為減小刮刀或輥?zhàn)映跏紩r刻對粉堆的沖擊作用對結(jié)果的影響，下文均對最后6 mm鋪粉過程進(jìn)行分析。3 結(jié)果與討論

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]尼龍粉末在SLS預(yù)熱溫度下的離散元模型參數(shù)確定及其流動特性分析[J]. 譚援強(qiáng),肖湘武,張江濤,姜勝強(qiáng).  力學(xué)學(xué)報(bào). 2019(01)

碩士論文
[1]鈦合金粉末的流動性及激光選區(qū)熔化成型研究[D]. 王昌鎮(zhèn).山東建筑大學(xué) 2017
[2]尼龍粉末選擇性激光燒結(jié)鋪粉工藝數(shù)值模擬研究[D]. 鄭軍輝.湘潭大學(xué) 2016



本文編號：3509659