[發(fā)明專利]一種針對316L不銹鋼的選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法

在審

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• 申請日: 2022-05-18
• 公開（公告）號: CN114912322A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設計）人: 鄭志軍;鄭翔
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;B22F10/28;B22F10/85;B33Y50/02;C22C33/02;G06F113/10
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 饒周全

1.一種針對316L不銹鋼的選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟1：在有限元軟件ANSYS APDL中建立三維幾何模型，包括基板和成形層；

步驟2：設置兩種材料參數(shù)，即實體材料參數(shù)和粉末材料參數(shù)，分別賦予基板和成形區(qū)域；同時對基板和成形區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，分別采用自由網(wǎng)格劃分和六面體網(wǎng)格劃分；

步驟3：設置初始條件和邊界條件，同時通過生死單元技術實現(xiàn)層間鋪粉、逐層成形；

步驟4：確定熱源控制方程和激光熱源方程，

其中，激光熱源方程利用APDL中的函數(shù)編輯器導出熱源命令流，且利用局部坐標實現(xiàn)激光熱源的移動；

在成型過程中，激光釋放總熱量包括激光熱源與粉末之間的熱輻射、粉末與外界環(huán)境的熱對流、粉末與基板/粉末的熱傳導；SLM成型過程具有非線性瞬態(tài)熱傳導的特點，滿足三維瞬態(tài)熱傳導控制微分方程，公式如下：

式中，ρ為材料的密度，kg/m³；t為時間，s；kx、ky、kz為x、y、z方向上的導熱系數(shù)，W/m·k；c為比熱容，J/kg·k；Q為單位體積內熱生成量，即粉末吸收熔化的熱量，W/Kg；本模擬假設各向同性，同時考慮熔池對流是使用增強各向同性導熱系數(shù)，即當未超過熔點時，kx＝ky＝kz＝k；當超過熔點后，kx＝ky＝kz＝k×1.4；

熱源實施選用指數(shù)衰減的體熱源，激光熱源公式如下：

式中：P為激光功率；x、y、z為激光焦點坐標；r_l為激光功率的半徑，本模擬實施的激光半徑為40um；H為打印層厚，取0.03mm；β為激光吸收率，取0.27；

步驟5：求解以獲取溫度場數(shù)據(jù)進行分析。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種針對316L不銹鋼的選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于：步驟1所述基板與成形層的單元類型均采用SOLID 70。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種針對316L不銹鋼的選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于：所述步驟2中，所述兩種材料參數(shù)包括密度、導熱系數(shù)和比熱容、焓值。

4.根據(jù)權利要求3所述的一種針對316L不銹鋼的選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于：

如溫度未超過熔點，粉末材料的導熱系數(shù)為實體材料導熱系數(shù)的1％；超過熔點時，粉末材料的導熱系數(shù)與實體材料的導熱系數(shù)一致；

金屬粉末的密度為實體材料密度的0.6；

金屬粉末的比熱容與實體材料的比熱容一致。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種針對316L不銹鋼選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于：所述步驟3中，模型的初始條件中的初始溫度為25～70℃；邊界條件包括熱對流和熱輻射，熱對流的對流系數(shù)取25W/m.K，熱輻射的輻射系數(shù)取0.3。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種針對316L不銹鋼選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于：步驟3所述生死單元技術中的設置具體為首先將全部成形層設置為“死單元”，通過APDL命令流根據(jù)成形情況逐層激活，使加工層變?yōu)椤吧鷨卧保黄浯危瑢娱g疊加前，增加3s鋪粉時間，符合實際打印過程。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種針對316L不銹鋼的選區(qū)激光熔化成形過程的熱行為預測方法，其特征在于：步驟(4)中模擬實施的掃描時間即掃描速度是根據(jù)熱源加載的荷載步計算；激光熱源方程先利用APDL函數(shù)編輯器進行改寫，后定義局部坐標，利用局部坐標移動激光熱源，使熱源按照規(guī)定的路徑運行。