選擇性激光燒結中鋪粉過程離散元模擬

2024-03-21 10:38楊來

林業機械與木工設備 2024年1期

楊來

(東北林業大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱 150040)

選擇性激光燒結技術(Selective Laser Sintering,SLS)是目前3D打印技術中較為流行的增材技術之一。鋪粉裝置是SLS設備中關鍵的組成部分,現在使用比較普遍的鋪粉裝置形式主要有三類:輥子式、刮板式和移動料斗式[1-2]。鋪粉裝置在鋪粉過程中將供粉箱內上升的粉末推移至成型箱的成型平面上,從而形成需要燒結的粉末床[3],它的基本工作原理如圖1所示。

圖1 SLS基本工作原理

鋪出均勻、致密度高的粉末床對燒結出高質量的燒結件至關重要,一般來說燒結件的密度要求達到全密度的98%,而成型箱內粉末床的密度要求達到全密度的70%左右。均勻致密的粉末床利于形成連續并且穩定的熔池軌道,減少燒結件表面的粗糙度和孔隙率,提高燒結件的力學性能,減少變形收縮。影響鋪粉質量的因素有很多,對于輥子式鋪粉機構來說包含輥子的直徑、轉速和移動速度等;對于刮板式鋪粉機構影響因素有刮板的移動速度等。

Budding A等[4]研究了刮板、旋轉鋪粉輥和二者相結合的粉末床的壓實方法,得出直徑為22 mm的旋轉鋪粉輥可獲得高堆積密度和高表面質量的粉末床,旋轉鋪粉輥和刮板相結合的方法也可獲得質量較好的粉末床;Yu Y等[5]在核桃殼/Co-PES生物質復合粉末增材增材制造中的鋪粉過程研究中同樣發現,輥子式的鋪粉效果要好于刮板式的鋪粉結構。這是因為在鋪粉過程中,輥子與粉末床顆粒的有效接觸面積要大于刮板與粉末床顆粒的接觸面積,越大的有效接觸面積,越有利于顆粒的重新排列,而刮板移動時可能會拖動粉末顆粒,導致粉末床表面粗糙。

Haeri S等[6]研究得出降低平移速度可以優化粉末床的質量,同時還得出鋪粉輥與粉末接觸面積越大,鋪粉效果也越好。

在本研究中,以鋪粉輥和鋪粉刮板組成的鋪粉裝置為研究對象,使粉床上的聚醚砜樹脂(PES)粉末顆粒先經過刮板預鋪粉、再經過輥子壓實鋪平,形成更為致密的粉末床。通過建立鋪粉過程的離散元仿真過程,分別研究整個鋪粉機構在不同移動速度、不同刮板端部傾斜角度等工藝參數對粉末床密度及其均勻性的影響,進一步揭示鋪粉過程中顆粒動力學與所鋪成粉末層的形成機制。

1 鋪粉裝置設計和工作原理

鋪粉輥直徑是影響鋪粉質量的主要因素之一,根據現有研究計算要求輥子直徑大于0.076 6 mm即可[7]。為加工與安裝便捷,實際將粉輥直徑設置為40 mm,長度為210 mm。刮板結構簡單,但是對于粉末床的粉末壓實作用較小,為改變這種情況,可將刮板可以設計成具有刀具形式的鋪粉刮板,鋪粉刮板與粉末床接觸處的兩側角度為α,長度為210 mm,高度40 mm,刮板截面圖及整體鋪粉裝置如圖2和圖3所示。

圖2 刮板截面圖

2 仿真模型的建立

在DEM仿真模擬中,每個顆?？梢钥闯瑟毩⒌膯卧?通過分析每個粒子的狀態信息得到整個物體的運動狀態,在此研究中,鋪粉過程通常使用軟球DEM方法,軟球DEM法中的顆粒被認為是彈性體,允許一定的變形,這種的方法的優點是可以對多個粒子同時碰撞進行建模,模擬顆粒之間的彈塑性接觸力、摩擦力和范德華力[8]。

2.1 建立簡化模型

在實際的SLS設備中,成型箱和供粉箱的實際尺寸為200 mm×200 mm×200 mm,在仿真過程中如果按照實際尺寸仿真會生成數以億計的粉末顆粒,網格數量也將十分龐大,加大計算時間與計算難度,因此為降低計算難度,縮小成型箱和供粉箱內粉末床的尺寸分別為5 mm×5 mm×0.5 mm,并將整體模型進行簡化,簡化模型如圖4所示。

圖4 簡化模型

2.2 顆粒間的控制方程和計算

顆粒j和顆粒i的力示意圖如圖5所示,作為離散相,顆粒的運動可以分為平移運動和旋轉運動,可用牛頓第二定律來表示:

圖5 顆粒i,j的力示意圖

(1)

(2)

對于粉末材料內部之間存在內聚力,常常還需要考慮Hertz-Mindlin with JKR模型,該模型考慮了范德華力的影響,通過推理得出法向接觸力表示為:

(3)

(4)

式中,γ為顆粒間粘附表面能,mJ/m2;E*為當量楊氏模量,Pa;a為接觸半徑,m;R*為當量半徑,m;δ為法向重疊量,m。

2.3 顆粒材料性能參數

本文所采用的粉末顆粒為聚醚砜樹脂(PES),PES呈白色細粉末狀,形狀為近橢球形,具有優良的物理機械性能和尺寸穩定性[9]。在離散元數值模擬中,粉末物性參數和接觸參數對仿真結果有重要影響,可通過實驗測量和相關論文得到,包括顆粒的粒徑、密度、剪切模量、顆粒與顆粒的摩擦系數和顆粒與顆粒之間的碰撞恢復系數等,各參數如表1所示。

表1 PES粉末顆粒參數

除了設置好粉末之間的相關參數之外,還需要設置顆粒與接觸幾何體之間的參數。在仿真過程中,輥子與刮板的表面盡量光滑,所以將PES粉末顆粒與輥子、刮板的摩擦系數設置得小一點,如表2所示。

表2 PES粉末顆粒與輥子、刮板的相互作用參數

2.4 顆粒模型建立及粉末床建立

對于PES顆粒的形狀,在EDEM軟件中對非球形/不規則形狀的建模方法主要有橢球粒子法、多邊形法、超二次曲面和超二次曲面法和多球法[10]。在本研究中通過多球法將PES粉末顆粒設置為重疊的球單元,再經布爾運算得到PES粉末顆粒的質量。設置好粉末顆粒相關參數后可進行粉末床的生成。在所建大小為5 mm×5 mm×0.5 mm的粉末床內,粉末生成方式為動態顆粒生成方式,所產生粉末顆?？倲盗繛?9 321,粉末床如圖6所示。根據實際鋪粉與鋪粉仿真時粉末材料和幾何體材料設定的相關參數,顆粒與顆粒之間的接觸模型采用Hertz-Mindlin with JKR模型。

圖6 動態顆粒生成粉末床

2.5 粉末床質量表征

(5)

式中,mi為柵格i內顆粒的質量,g;Vi為柵格i的體積,cm3。

第i個柵格內的粉末床的密度堆積分數φi為:

(6)

式中,Lx為第i個柵格的X方向的尺寸,m;Ly為第i個柵格的Y方向的尺寸,m;Lz為粉末層的厚度,m。

(7)

式中,N為柵格的數量。

第i個柵格內的粉末床堆積分數標準偏差S為:

(8)

3 結果和討論

3.1 粉末流動形態

根據粉末流動的速度和法向受力狀況可分為三部分,粉末床分區示意圖如圖7所示:

圖7 粉末床分區示意圖

(1)粉末顆粒自動流動區:粉末顆粒在重力和輥子-刮板外力作用下加速滑落,粒子運動速度較高,落在成型平面上形成粉末床。

(2)粉末床壓縮區:粉末床經過輥子-刮板壓縮變形,輥子-刮板下方的粉末顆粒被擠壓在該區域。

(3)粉層區:經過輥子-刮板作用后形成的穩定區域。

3.2 輥子-刮板移動速度對粉末床質量的影響

在不改變其它鋪粉工藝參數的情況下,研究輥子-刮板移動速度對粉末床質量的影響,速度變化范圍如表3所示。

表3 速度變化范圍

仿真結果顯示,當輥子-刮板移動速度在160～200 mm/s時,粉末顆粒會向上飛揚,如圖8所示,飛濺的粉末顆粒會使成型室內彌漫大量的粉塵顆粒,影響光學元件的透光率和鋪粉裝置的運動平穩性,飛濺的粉末顆粒如圖所示。并且經過輥子-刮板鋪粉后,成型箱內的粉末床鋪粉質量都比較差,在速度為200 mm/s時,在成型箱左側邊上缺失較多的粉末顆粒,隨著輥子-刮板移動速度的逐漸減小缺失粉末顆粒的區域也逐漸減少,直至達到移動速度為140 mm/s時,基本沒有粉末顆粒的缺失區域,圖9為不同移動速度V下粉末床形貌的俯視圖。

圖8 粉末顆粒飛揚

圖9 不同移動速度下粉末床質量

為了進一步分析移動速度V對粉末床質量的影響,利用EDEM軟件的探測功能對成型箱內的粉末床的密度進行測量。從圖10可以看出,當輥子-刮板移動速度V從80 mm/s增加至200 mm/s時,成型箱內的粉末床密度從0.382 g/cm3減少至0.259 g/cm3,大約減少了32%。當輥子-刮板移動速度增大的時候,粉末顆粒自動流動區和粉末床壓縮區的粉末顆粒速度也隨之增大,粉末顆粒沒有得到充分的壓實,也有一部分粉末顆粒在速度較高的輥子-刮板帶動下被推移至廢粉箱。