[发明专利]一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于激光打印技术领域，具体涉及一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法。

背景技术

3D打印技术是一种基于离散-堆积原理，并通过逐层烧结实现产品构型的新型材料加工技术，近几年已经在航空航天领域中得到广泛应用，该技术具有全数字化、高柔性、无模具生产、复杂结构高精度实现性的技术特点，直接由零部件的三维数字模型驱动产品制造，无需模具整体一次性成形。

目前，金属3D打印技术所实现试件的力学性能已可达到锻件材料的标准，在金属3D打印技术领域中，激光选区熔化技术(SLM)具有突出的复杂结构高精度实现能力，非常适用于高性能要求的复杂结构零部件制备。就现有技术而言，金属3D打印工艺的一般流程顺序为：激光成形、吹粉、热处理、线切割、去支撑、打磨抛光。

在航空航天领域中，产品的尺寸精度、外廓形貌与产品的性能息息相关，在增材制造过程中，由于其成形工艺的制约，零件通过逐层堆积所导致零件成形完成后内部聚集大量的内应力。而在航空航天领域部分零件不需要热处理(或工艺要求先做线切割)从基板上切割下来，最后由于线切割过程中内应力的释放导致零件最终形貌与树模相差甚远，导致零件报废。目前尚无科研院所对增材制造线切割过程零件的变形进行理论支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，能对线切割过程及切割完成后的零件变形进行预测、对线切割过程工装工艺设计提供理论参考、提高零件成品质量、降低热应力产生的变形。

本发明所采用的技术方案是，一种增材制造后处理线切割过程的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

第一步：增材制造零件及基板三维有限元模型的建立，并对建立的三维有限元模型进行网格划分；

第二步：待第一步完成后，对打印粉末材料的性能参数进行定义；

第三步：待第二步完成后，建立热源加载条件；

第四步：确定增材制造最终应力场，包括线切割高度、方向的确定。

本发明的特点还在于：

第一步具体按照以下方法实施：

对待线切割的零件及基板进行三维有限元模型的建立，将待线切割的零件及基板进行不同的层面的建模，再连接层与层之间的每一层的网格模型，保证建模过程与增材制造的过程每一层的轮廓区域一一对应；

对增材制造零件进行网格划分，三维有限元模型整体整体采用全六面体网格划分，最小单元控制为1.5×1.5×1.5mm。

在第二步中：

增材制造过程中的导热系数W/m·℃、对流换热系数W/m²·℃、密度Kg/m³、比热J/Kg·℃、泊松比、弹性模量N/m²、热膨胀系数1/℃和屈服极限MPa参数通过脚本化有限元分析进行迭代拟合，最终得出其塑性应变和流变应变的函数曲线图。

第三步建立热源加载条件的具体方法如下：

采用一种移动半椭球热源对其进行热载荷加载，具体如下：

式(1)中：Q为电极之间热源温度；T为瞬态加热温度；R为电极加热中心的有效加热半径；r为任意一点离加热中心原点的距离；P为电机的总功率；

增材制造过程中：激光铺粉粉末层高为0.05mm；激光道与道搭接宽度为0.08mm；激光功率为280w；激光扫描速度为886mm/s；激光能量有效利用率45％；打印粉末为TC4。

第四步具体按照以下方法实施：

对增材制造过程及打印结束后零件整体的应力状态及变形状态进行记录，对线切割方向、线切割高度进行设置，分析最终线切割对零件整体产生的变形状态。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的数值模拟方法，通过仿真对比沿不同方向、不同高度对增材制造零件进行线切割过程，获得零件线切割过程及切割完成后零件的整体应力、变形分布规律；

(2)本发明的数值模拟方法，对于线切割过程及切割完成后零件的变形进行预测、对线切割过程工装工艺设计、提高零件成品质量、降低热应力产生的变形具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例中涉及的模型的俯视图；

图2是本发明实施例中涉及的模型的正视图；

图3是本发明实施例中采用四面体网格进行划分模型的示意图；

图4是本发明实施例中采用六面体网格进行划分模型的示意图；

图5是本发明实施例中增材制造过程打印完成后零件的仿真变形云图；