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1、目录摘 要1Abstract2第1章 绪论31.1 激光增材制造技术的简介31.2 LENS成形金属零件的国内外研究现状41.3 LENS 成形金属零件存在的问题以及解决措施61.4 本文研究思路7第2章 有限元热分析理论基础与模型建立82.1有限元传热理论模型82.2有限元热弹塑性理论模型92.3物理模型建立112.3.1 模型假设112.3.2 结构单元的选择122.3.3 材料热物性参数122.3.4几何模型的建立与网格划分132.3.5激光热源模型132.4 采用ANSYS的关键技术142.4.1生死单元法142.4.2 激光热源模型的加载15第3章 LENS熔覆层温度场及应力场计算分
2、析163.1正交实验法的介绍与设计163.2 温度场模拟计算173.3 应力场模拟计算203.4 正交实验结果的分析与讨论213.5 优化结果的验证与分析25第4章 结论29参考文献30致谢32摘 要激光近净成形技术（laser engineered net shaping，LENS）是增材制造中具有代表性的一种先进制造工艺，可以制造具有复杂结构和性能优异的金属零件。然而，利用该技术在成形金属零件时，由于局部急冷急热的特点，会在成形零件内部出现较大残余应力，进而影响零件的力学性能与精度。因此探索如何减小残余应力在激光增材制造领域中具有重大的研究意义。本文利用ANSYS 软件模拟LENS成形金属
3、零件的过程，并对成形过程中的温度场和应力场进行分析。采用正交实验法来探究激光工艺参数（如：激光功率，扫描速度与光斑直径）对残余应力的影响规律，并且研究各个参数对残余应力的影响权重，最后找出最优参数。得到最优的参数组合是：激光功率1000w，扫描速度5mm/s，光斑直径2.5mm，此时熔覆层上的残余应力为192MPa。关键字：增材制造，LENS，数值模拟，正交实验作 者：孙亚新指导老师：朱刚贤 1苏州大学本科生毕业设计（论文）AbstractLaser engineered net shaping(LENS), which is as a typical representative of ad
4、ditive manufacturing, can fabricate metal parts with complex structure and fine properties. However, the residual stress in the metal parts will be produced in manufacturing process due to the features of local high temperature and fast cooling rate, which will have a bad effect on the mechanical pr
5、operties and precision of metal parts. Therefore, it is important to explore how to reduce residual stress in metal parts. ANSYS software was used to simulate the LENS process of metal parts and its temperature fields and residual stress fields were also investigated. Adopting orthogonal experiments
6、, the effects of laser parameters such as laser power, scanning speed and spot diameter on the residual stress distributions in cladding layers were analyzed and the influence weight of different parameters were also explored. According to the results , the best parameters combination was laser powe
7、r 1000w, scanning speed 5mm/s and spot diameter was 2.5mm ,which can lead to the minimum residual stress(192MPa) in metal parts deposited by LENS. Keywords: Additive Manufacturing, LENS, ANSYS Simulation,Orthogonal ExperimentAuthor by Sun Yaxin Supervised by Zhu Gangxian1第1章 绪论1.1 激光增材制造技术的简介激光增材制造技
8、术（Additive Manufacturing ,AM）俗称3D打印，该技术是基于离散-堆积原理，以计算机辅助制造，设计为基础，通过将三维数字模型逐层离散化处理，通过逐层累积的方式来成形金属零件。具体来说，激光增材制造技术在成形金属零件的过程中，以激光为热源，由送粉装置将金属粉末送入激光产生的熔池中，基于零件单层的数据，数控系统会引导激光喷嘴和工作台的相互移动，形成单道熔覆层，再通过逐层堆积成形金属零件 Xue L, Ishlam M U. Free form laser consolidation for producing metallurgically sound and functi
9、onal componentsJ.Journal of Laser Apllications. 2000, 12(4):160-166., Keicher D M, Smugeresky J E. Romero J A, et al. Using the laser engineered net shaping (LENS) process complex component from a CAD solid modelJ.SPIE,1997,299(3): 91-97., Zhang X D, zhang H , Grylls R J, et al. Laser-deposited adva
10、nce materialsJ. Journal of Advanced Materials,2001,33(1):17-23., 席明哲，张永忠，石力开. 工艺参数对激光快速成形316L不锈钢组织性能的影响J.中国激光A, 2002,29(11),1045-1048.,6。这种制备工艺具有以下几种优势: 产品设计制造周期短,提高生产效率，同时采用“加法制造”，提高材料利用率，降低生产成本,提高产品竞争力；成型零件的复杂程度对加工难度影响较小，可以实现任意复杂零件的加工制造；通过激光增材制造方法成形的零件，具有良好的组织和力学性能 杨海欧,林鑫，陈静，等激光成形制备生物医用钛合金材料研究进展J，
11、铸造技术，2011，32（10）：1431-1434.。激光增材制造技术是一门结合了机械，计算机，材料等多学科的交叉技术，突破了传统工艺成形金属零件的限制，成为当今世界热点课题，具有广阔的应用前景3。本文采用的一种是基于同轴送粉的激光近净成型技术（laser engineered net shaping ，LENS）。LENS是激光增材制造中非常典型的一种技术，它可以直接成形全致密的金属零件，且其成形的零件性能达到甚至优于锻造零件的性能 黄卫东，林鑫，陈静，等激光立体成形-高性能致密金属零件的快速自由成形 M西安：西北工业大学出版社，2007：1-4。LENS的工作原理具体是在成型过程中，利用
12、喷嘴将粉末聚集在工作台表面上，同时激光束也聚集在该点，使得光粉的作用点重合。这时，粉末熔化形成熔池，通过工作台与激光头相互的移动，形成单道熔覆层。经过逐层累积，形成熔覆实体零件3。图1.1 LENS原理示意图1.2 LENS成形金属零件的国内外研究现状西方发达国家最早开展LENS 技术的研究。在1979年，美国联合技术中心的D.B.Snow等人采用大功率激光器制造出大尺寸的镍基合金零件 Snow D B,Breinan E M, Kear B H. Rapid solidification processing of super alloys using high power lasersJ.
13、 Processing Fourth International super alloy symposium. Baton Rouge:Alaitors Publishing Div,1980:189-203.。同时在上世纪90年代，美国Sandia 国家实验室与 United Technologies Pratt &Whitney （UTPW）商业公司成为战略合作伙伴，并且成功研发了LENS。这项综合了大功率激光器与同轴输送粉末系统的技术引起了全世界广泛的关注。在1998 年，Sandia 实验室获得了 Optomec Design集团的支持，成功研发了用于商业的激光近净成形系统 LENS7
14、50 S.Ashley. From CAD art to rapid metal tools J. Mechanical Engineering,1997,119(3):82-87.。截止目前为止，Sandia 国家实验室与其合作伙伴已经推出了三代LENS 装备，其LENS工艺成形件如图1.2（a）所示。1994年美国Los Alamos 国家实验室在能源部的支持下，与Synthe Met公司合作共同开发了直接光学制造技术( Directed Light Fabrication, DLF) Milewski J.o, Lewis G K, Thomas D J, Keel GI, Nemee
15、R B, Reinert R A. Directed Light fabrication of a solid metal hemisphere using 5-axis Powder depositionJ.Mater Process Technol 1998,75(1-3):165-172.。利用这项技术对一些难熔金属例如铼、铱、钽和钨等材料进行成形研究。结果表明该技术可以获得和实际非常接近的金属零件，而且制备零件的精度达到了微米级别，机械性能远高于传统工艺制造的金属零件,表面粗糙度和熔铸件相当 G.K.Lewis, et al.Properties of Near Net Shaped Metallic Components Made by the Directed Light Fabrication ProcessR. Eight Solid Free form Fabrication Symposium, Austin Texas, August 1997, 11- 13.。目前, Synthe Met正致力于该技术的商业开发。Michigan 大学在1999年成功研发金属沉积技术术(
