CN107756786B - 一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置及方法，本发明的装置包括：超声波发生器、换能器、传振杆、变幅杆和振动头；所述超声波发生器通过电缆线与所述换能器连接；所述换能器与所述传振杆一端连接；所述传振杆另一端与所述变幅杆相连；所述变幅杆通过螺栓与穿过成型缸各侧面和成型基板底面的振动头紧固连接。其方法是：铺粉后对成型缸中的纤维复合粉末层施加超声振动，当施加一定时间后，关闭超声振动装置并对粉层进行烧结，不断重复上述步骤直至完成烧结。本发明方法实用简单，能有效地控制纤维复合粉体材料中纤维的取向排布，进而改善因纤维分布而产生烧结件力学性能各向异性的问题，从而提高烧结件的质量。

Description

一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置及方法
技术领域
本发明属于选区激光烧结技术领域，具体涉及一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置及方法。
背景技术
选区激光烧结（Selective Laser Sintering，简称SLS）是通过逐层铺粉和逐层扫描烧结的形式来制造零件，该工艺近年来得到了广泛应用。在SLS工艺中通过在基体材料中添加纤维使其改性，进而改善力学性能来适应不同的应用场合。复合粉末层中纤维的分布状态很复杂,可能随机取向,也可能部分高度一致取向。研究表明由于纤维复杂的分布情况，对烧结件的物理性能和力学性能会产生一定的影响，因此研究改善纤维在粉体材料内分布状态的方法就尤为重要。
现有的方法和技术尚不能有效控制纤维在复合粉末中的取向排布，并且在SLS工艺中，由于滚筒的水平运动作用，导致大部分的纤维沿滚筒水平运动方向排布，而沿其他方向的排布情况较少，限制了纤维力学性能的更好发挥。
超声振动本质上是一种机械振动，其频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播。本发明利用超声波良好的方向性，对SLS成型缸中的纤维复合粉末层施加超声振动，从而促进纤维的有序排布。
发明内容
本发明旨在提供一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置及方法。该装置及方法可有效地控制纤维复合粉体材料中纤维的取向排布，进而改善纤维在烧结层中各向异性的问题，从而提高烧结件的质量。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置，其特征在于：超声波发生器、换能器、传振杆、变幅杆和振动头；所述超声波发生器通过电缆线与所述换能器连接；所述换能器与所述传振杆一端连接；所述传振杆另一端与所述变幅杆相连；所述变幅杆通过螺栓与穿过成型缸各侧面和成型基板底面的振动头紧固连接；所述振动头的端面设计为圆弧状；所述的超声波发生器、电缆线、换能器、传振杆、变幅杆和振动头在成型缸的四个侧面各安装一组，在成型基板的底面安装一至多组；所述超声波发生器的超声波频率至少为20kHz，振幅为1～20μm。
一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的方法，具体步骤如下：
(1)启动超声波发生器，在超声波发生器上调试好控制纤维分布方向的超声振动频率和振幅；
(2)当纤维复合粉末层铺设于成型缸后，输出超声波，一定时间后，关闭超声振动装置，然后利用激光束对振动后纤维取向有序排布的复合粉末层进行烧结；
(3)不断重复步骤（1）（2），直至所有的烧结层均完成烧结，获得最终的烧结件。
本发明的有益效果是：本发明实用简单，易于操作，可控性好。同时振动工作频率在20kHz以上，属于超声振动，无噪音，能有效地控制纤维复合粉体材料中纤维的取向排布，进而改善纤维在烧结层中各向异性的问题，从而提高烧结件的质量。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明提供的一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置结构示意图。
图2是超声振动辅助纤维有序排布的仿真模拟图。
图3是超声振动前后纤维概率分布对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明提供的一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置结构示意图。如图1所示，超声振动装置包括：超声波发生器7、换能器6、传振杆5、变幅杆4和振动头3；所述超声波发生器7通过电缆线与所述换能器6连接；所述换能器6与所述传振杆5一端连接；所述传振杆5另一端与所述变幅杆4相连；所述变幅杆4通过螺栓与穿过成型缸1各侧面和成型基板2的底面的振动头3紧固连接；所述振动头3的端面设计为圆弧状,以增加超声波辐射面积；所述的超声波发生器7、换能器6、传振杆5、变幅杆4和振动头3在成型缸1的四个侧面各安装一组，在成型基板2的底面安装1至多组。
采用图1所示的装置用于实现选区激光烧结中纤维排布的方法，其具体步骤如下：
(1)启动超声波发生器，在超声波发生器上调试好控制纤维分布方向的超声振动频率和振幅；
(2)当纤维复合粉末层铺设于成型缸后，超声波发生器7输出超声波，经过换能器6的能量转换，超声波转换为超声频机械振动，振动经传振杆5到达变幅杆4中，将振幅放大，再经穿过成型缸1各侧面和成型基板2底面的振动头传导到纤维复合粉末层，利用成型缸1壁面上的超声振动冲击作用于粉层，带动粉体做周期性运动。一定时间后，关闭超声波发生器7，然后利用激光束对振动后纤维取向有序排布的复合粉末层进行烧结；
(3)不断重复步骤（1）（2），直至所有的烧结层均完成烧结，获得最终的烧结件。
实施例：
现采用离散元软件EDEM模拟超声振动下纤维在尼龙粉体中的分布情况，理论分析证明，任何复杂振动是由许多简谐振动所合成的，所以在本仿真中用单一频率的简谐振动来模拟超声振动。尼龙粉末为服从正态分布的球形颗粒，其直径均值为50μm。纤维为球形颗粒填充的圆柱体，其直径为20μm，长径比为5。模拟采用取样的方法，选取成型缸中纤维/尼龙粉末层一小块区域进行仿真，区域尺寸为1mm×1mm，粉层厚度约为0.1mm。对该区域内的纤维/尼龙粉末层施加沿x向的简谐振动（频率为25kHz，振幅为2μm），一定时间后，纤维在粉层中的分布可由图2（1）中随机无序的状态变为图2（3）中近似沿振动方向排布的状态。
统计模拟结果，可得到振动前后在xy平面内纤维概率分布对比图，如图3所示。由图可知，振动后沿振动方向x向（0°，±180°）附近的纤维分布概率相对于振动前明显增加,这说明施加超声振动可以改善纤维在复合粉体材料内的分布状态，从而达到预期效果。

Claims (2)

1.一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置，其特征在于：超声波发生器、换能器、传振杆、变幅杆和振动头；所述超声波发生器通过电缆线与所述换能器连接；所述换能器与所述传振杆一端连接；所述传振杆另一端与所述变幅杆相连；所述变幅杆通过螺栓与穿过成型缸各侧面和成型基板底面的振动头紧固连接；所述振动头的端面设计为圆弧状；所述的超声波发生器、电缆线、换能器、传振杆、变幅杆和振动头在成型缸的四个侧面各安装一组，在成型基板的底面安装一至多组；所述超声波发生器的超声波频率至少为20kHz，振幅为1～20μm。
2.根据权利要求1所述的一种选区激光烧结中超声控制纤维排布的装置，其特征在于：具体实施步骤如下：
(1)启动超声波发生器，在超声波发生器上调试好控制纤维分布方向的超声振动频率和振幅；
(2)当纤维复合粉末层铺设于成型缸后，输出超声波，一定时间后，关闭超声波发生器，然后利用激光束对振动后纤维取向有序排布的复合粉末层进行烧结；
(3)不断重复步骤(1)(2)，直至所有的烧结层均完成烧结，获得最终的烧结件。
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