微纳米颗粒激光烧结过程中的相变传热研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 19 4 7.98MB 62 页 15积分

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第一章绪论

摘要

微纳米颗粒的激光烧结技术是近年来发展起来的先进加工制造技术，它的快

速、高精度、节能等优点使得该项技术在各个领域得到广泛发展，并且得到越来越

多人的关注和研究。选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)技术是目前发

展较快的微纳米颗粒激光烧结技术。选择性激光烧结以粉末作为成形材料，将激

光束按照设计的扫描路径对粉末进行层层烧结成形，每层成型粉末层层叠加最终

成形为设计的三维实体零件。

选择性激光烧结过程中激光束对粉末进行辐射加热，粉末颗粒表面吸收激光

能量温度升高，当颗粒温度超过熔点后开始发生熔化相变，当激光束离开，颗粒

冷却就会发生凝固相变。颗粒的熔化、凝固相变使得颗粒之间连接而成形。选择性

激光烧结的成形过程依靠的是颗粒吸收激光能量后的相变作用，而烧结过程的颗

粒温度分布直接影响到颗粒相变的发生，所以烧结过程颗粒温度分布极为重要，

它是合理选择烧结工艺参数的基础。

本文通过建立激光对金属颗粒的加热模型，对颗粒发生熔化、凝固相变的传

热过程以及颗粒的温度分布进行了分析讨论。由于脉冲激光与金属材料的相互作

用导致了金属中电子和晶格温度的非平衡状态，本文建立了电子和晶格传热的两

步加热数学模型。通过数值模拟，分析了皮秒脉冲激光作用下金属颗粒中电子和

晶格温度的分布情况以及相变过程中相变界面温度、界面位置和界面移动速度随

着时间的变化情况。讨论了相变潜热对烧结过程温度分布的影响。

在此基础上文章还分析了数值计算过程中不同的电子与晶格导热耦合因子计

算方法对颗粒温度分布及相变造成影响；同时分析了不同激光能量密度和不同激

光脉宽对颗粒烧结温度场和颗粒相变过程中界面温度、界面位置和界面移动速度

的影响。

本文所获得的研究结果，加深了对选择性激光烧结过程中激光与金属材料之

间相互作用的认识，有助于揭示选择性激光烧结过程中金属颗粒相变传热机理，

充实了脉冲激光作用下金属颗粒烧结机理方面的研究。

本课题受到国家自然科学基金 (项目编号：51006071)、高等学校博士学科点

专项科研基金 (项目编号：20093120120010)的资助。

关键词：激光烧结温度分布相变数值模拟

ABSTRACT

The micro/nano particle laser sintering technology is one of the advanced

manufacturing technologies and it develops fast in recent years. The advantages such as

fast, high precision, and saving energy, make laser sintering technology develop in

various fields widely, and it gets more and more attention and subject researches.

Selective laser sintering (SLS) gets rapid development among various advanced

微纳米颗粒激光烧结过程中的相变传热研究

manufacturing technologies. During the SLS process the surface of a powder bed is

scanned with a laser heat source to melt the powder and as the beam moves away the

liquid resolidifies into a solid. Another layer of powder is then pushed over the newly

solidified surface and the process is repeated, thus building a solid object layer by layer

for the design of the three-dimensional parts.

During the SLS, the laser beam reaches on the particle surface, the surface of

particle absorbs laser energy first, then the particle surface temperature rises, when the

surface temperature exceed the melting point the melting phase change occurs. When

the laser beam leaves and the particle gets cooling, the resolidification phase change

will happen. Particles are linked induced by the melting and solidification phase change.

The process of SLS depends on melting and resolidification of particles after laser

energy absorption. During sintering process the particle temperature field distribution is

very important because particle temperature field distribution directly affects the

particle phase change and it is the foundation of reasonable selection of sintering

parameters.

First of all, a physical model is developed to simulate the particle phase change.

The laser energy is first deposited to the electrons on the particle surface, and

subsequently diffuse into a deeper part of the electron gas and transfer to the lattice. The

nonequilibrium heat transfer in the electrons and lattice is described using a two-

temperature mode. Through numerical simulation, a rapid melting and resolidification

of a metal particle subject to a picosecond laser pulse is deserved. The particle

temperature field, interface temperature, interface position and interface movement

speed along with the phase change was analysed and paper also discussed the influence

of phase change latent heat to the temperature distribution in the sintering process.

And then, The effects of the electron-lattice coupling factor, the laser fluence and

laser pulse width on ultrafast melting and solidification will be investigated. A better

understanding of the interaction between lasers and metal materials and the mechanism

of selective laser sintering can be achieved by this study.

The financial support of the National Natural Science Foundation of China (Project

51006071), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education

(Project 20093120120010) is gratefully acknowledged.

Key Words: laser, sintering, temperature distribution, phase change,

numerical simulation

第一章 绪论
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...............................................................................................................................1
1.1 课题研究背景及意义..................................................................................................... 1
1.2 选择性激光烧结技术介绍............................................................................................ 2
1.3 国内外研究现状............................................................................................................. 5
1.4 论文主要研究内容......................................................................................................... 7
第二章 颗粒选择性激光烧结机理及两步加热模型..........................................................8
2.1 激光与金属材料的相互作用.................................................................................................... 12
2.2 金属粉末颗粒选择性激光烧结机理...................................................................................13
2.3 SLS 金属颗粒导热数学模型.................................................................................................... 14
2.4 本章小结............................................................................................................................................ 17
第三章 脉冲激光作用下金属颗粒的传热数值模拟...................................................................18
3.1 物理模型及问题的数学描述...................................................................................................18
3.1.1 物理模型...................................................................................................................................... 18
3.1.2 问题的数学描述..................................................................................................................... 18
3.1.3 电子、晶格导热方程离散.................................................................................................18
3.1.4 相变求解方法........................................................................................................................... 18
3.1.5 求解方法和求解步骤........................................................................................................... 23
3

微纳米颗粒激光烧结过程中的相变传热研究
3.2 算法验证............................................................................................................................................. 24
3.3 脉冲激光辐射下金属金颗粒温度分布变化及颗粒相变过程................................28
3.4 本章小结............................................................................................................................................. 36
第四章 电子-晶格耦合因子及激光参数对金属颗粒激光烧结的影响............................37
4.1 电子-晶格耦合因子 G对颗粒烧结的影响......................................................................37
4.2 激光能量密度(J)对颗粒烧结的影响...................................................................................40
4.2.1 激光能量密度对颗粒温度场的影响............................................................................40
4.2.2 激光能量密度对颗粒相变过程的影响.......................................................................18
4.3 脉宽(tp)对颗粒烧结的影响........................................................................................................ 47
4.3.1 tp对颗粒温度场的影响........................................................................................................ 47
4.3.2 tp对颗粒相变过程的影响..................................................................................................48
4.4 本章小结............................................................................................................................................. 50
第五章 结论.............................................................................................................................52
主要符号表..............................................................................................................................54
参考文献..................................................................................................................................57
4

第一章绪论

微纳米颗粒激光烧结过程中的相变传热研究

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

制造业的发展推动着整个社会的发展和进步，制造业水平的高低是衡量一个

国家整体科技水平的重要标准。随着市场激烈竞争和新技术的不断涌现，制造业

在产品结构、生产模式和生产过程方面正发生着深刻的变化。随着激光器被科研人

员发明，激光技术的研究及其在各个领域的应用得到广泛发展。将激光技术与加

工制造技术结合使得现代加工制造业朝着实用、节能、多品种、小批量、短周期、快

速、高精度和自动化的方向发展。面对全球市场竞争程度的日趋激烈，市场响应速

度已成为市场竞争的关键，激光技术与制造技术结合是满足当下市场需求的良好

途径[1]。

与传统的加工制造方法相比，激光加工制造技术具有许多优点 [2]：它可以对

多种金属、非金属进行加工，特别是可以加工高硬度、高脆性及高熔点的材料（如

电子工业中常用的陶瓷材料、硅片等）；在加工过程中无切削力对工件的影响，

使工件变形很小；加工时能量注入速度高，对工件热影响区域小；加工速度快、

无污染、无噪声，把激光与数控系统结合，可以对许多的形状复杂的零件进行加

工制造，缩短加工周期，节约成本。

快速原型制造(Rapid Prototyping, RP)[3~5]技术是近 20 年来制造技术领域的一次

重大突破。快速原型制造技术是激光技术、精密传动和数控技术、新材料技术、

CAD/CAM 技术的集成。这种技术借助计算机辅助设计，或用实体反求方法采集

得到有关原型或零件的几何形状、结构和材料的组合信息，从而获得目标原型的

概念并以此建立数字化描述的模型，之后将这些信息又输出到计算机控制的光、

机、电集成的激光快速成形制造系统，利用激光作为工具，通过逐点、逐面对材料

进行 “三维堆砌”成形，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性能等方面达

到设计要求，达到快速、准确地制造原型或实际零件、部件，在不需要任何刀具、

模具、工装的情况，根据产品三维 CAD 设计数据，利用快速成形设备自下而上分

层堆积的工艺快速、准确地制造出产品原型。由于工艺上的革命性变革，该技术彻

底突破传统加工工艺的束缚，可方便地加工空间复杂曲面及各种复杂结构，并在

几天甚至几小时内将设计转化为可实用的产品原型，该产品原型可用来进行设计

验证、功能检测、装配检测以及新产品展示，甚至可以直接作为零件使用。

近年来发展的快速原型制造技术主要有[6]：立体印刷又称立体光造型（Stereo

Lithography Apparatus, SLA）技术；选择性激光烧结（Selective Laser Sintering,

SLS）技术；激光薄片叠层（Laminated Object Manufacturing, LOM）技术；熔融

沉积造型（Fused Deposition Modeling, FDM ）技术；三维印刷（ Three

Dimensional Printing, 3D-P）技术；激光诱发热应力成形（LF）技术等等。选择性

激光烧结技术作为快速原型制造技术中一个重要分支，因其可以制造出精确的模

型和原型，还可以制造出可以直接作为功能元件使用金属零件，它已成为发展最

快、最为成功并且已经商业化的 RP 技术。选择性激光烧结技术还具有原材料选择

广泛、多余材料易于清理、应用范围广泛等优点，在现代制造业中受到越来越广泛

的重视。

第一章绪论

1.2 选择性激光烧结技术介绍

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术又称选区激光烧结技术

[7]，是一种先进的快速制造技术，它是快速原型制造技术的重要分支。其思想最初

由Texas 大学 Austin 分校的 Deckard 于1986 年提出。最初选择性激光烧结采用的

是高分子聚合物和尼龙材料作为烧结材料，为视听辅助设备制造原型[8]，该技术

被DTM 公司和EOS 公司商业化。

选择性激光烧结工艺系统原理如图 1-1 所示，该系统由激光器、扫描镜、铺粉

滚筒、粉床体和供粉系统组成[9]。在烧结之前由铺粉滚筒将粉末在粉床体上按照要

求厚度均匀铺上一层，用红外线将粉末材料加热至恰好低于烧结点的某一温度值

然后用计算机控制激光束，按原型或者零件的截面形状扫描平台上的粉末材料，

使其受热熔化凝固，完成这一层粉末的烧结后平台下降一个层厚，用铺粉辊将粉

末再次均匀地分布在上一层已完成的烧结层上，再用激光烧结，如此反复，逐层

烧结成形。这种工艺与立体激光印刷成形（SLA）基本相同，只是因为激光印刷

技术所用的材料是液态紫外光敏可凝固树脂，而 SLS 使用各种粉末材料，这也是

SLS 技术的主要优点之一，理论上任何可以熔化凝固的粉末都可以成为 SLS 的烧

结材料。选择性激光烧结技术常用的材料是塑料、蜡、陶瓷、金属以及它们的复合物

的粉体。

SLS 技术自 1989 被美国C.R Decard 申请专利，DTM 公司推向市场之后因为

其广泛的烧结材料选择范围，目前，选择性激光烧结快速成形技术已成功应用于

汽车、造船、航天、航空、通讯、微机电系统、建筑、医疗、考古等诸多行业[10]，概括

起来 SLS 技术的应用主要包括以下几个方面[11, 12]：

(1) 快速原型制造。利用快速成形方法可以方便、快速制造所需原型，它在新

产品开发中具有十分重要的作用。通过原型，设计者可以很快评估设计的合理性。

例如汽车发动机的进气道及其重要的组成部分，由复杂自由曲面构成，它对进气

效率的提高，燃烧过程的改善有着非常重要的影响。在发动机研发设计过程

图1-1 SLS 工艺系统原理

中，对进气道的设计方案要进行大量试验。传统的进气道方案试验方法是加工出

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第一章绪论摘要微纳米颗粒的激光烧结技术是近年来发展起来的先进加工制造技术，它的快速、高精度、节能等优点使得该项技术在各个领域得到广泛发展，并且得到越来越多人的关注和研究。选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering,SLS)技术是目前发展较快的微纳米颗粒激光烧结技术。选择性激光烧结以粉末作为成形材料，将激光束按照设计的扫描路径对粉末进行层层烧结成形，每层成型粉末层层叠加最终成形为设计的三维实体零件。选择性激光烧结过程中激光束对粉末进行辐射加热，粉末颗粒表面吸收激光能量温度升高，当颗粒温度超过熔点后开始发生熔化相变，当激光束离开，颗粒冷却就会发生凝固相变。颗粒的熔化、凝固相变使...

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