1.1目的和意义

随着材料科学与快速成形工艺的不断发展，以选择性激光熔化（SLM）技术为代表的金属增材制造科学前沿，正在推动3D 打印技术由原型制造快速成长为一种可以直接制造功能零部件的新型制造手段，并在航空航天、汽车、船舶、模具、医疗等领域中实现具有一体化复杂结构的高附加值零部件的单件小批量快速制造。SLM与传统加工相比，无需工装模具、不受零件几何形状复杂度影响，可以在单件小批生产中大幅缩短产品生产周期、降低成本。而且在新品开发中，将缩短研制周期，可以使以前无法加工的产品成为可能。SLM无切削浪费、材料利用率高，同时可以通过构造零件内部结构进一步实现轻量化和节材。鉴于此，该技术在航空航天、模具、工程和医疗等领域有广泛的应用前景。目前已在复杂零件一体化加工制造、新型轻量化零件、新产品、医疗应用以及单件小批量生产方面展现出巨大优势^[1]。

SLM加工中，金属粉末在高强度激光辐射下完全熔化形成液体熔池，激光远离作用区域后，液体熔池迅速冷却凝固并与相邻的熔池以及已凝固金属实体形成良好的冶金结合，因此SLM零件的致密度高、力学性能优异^[2]。然而激光作用区域瞬时温度高，已成型区域温度相对较低，故零件内部存在较大的温度梯度^[3]。温度梯度的存在使零件内部各区域间膨胀和收缩趋势不一致，使零件在成型过程中产生热应力，进而演变为成型结束后的残余应力。SLM 成型过程中的热应力积累到一定程度后，零件便会产生翘曲变形。

在实际选择性激光熔化加工中，由于尖角处温度场分布非常不均匀，所以带尖角截面形状的加工层特别容易发生翘曲变形。为保证SLM加工过程正常进行和提高制件成形精度，必须有效控制其温度场分布。扫描路径合理规划可以有效减小温度场的温度梯度和成形件的翘曲变形。为减小尖角截面的翘曲变形，针对尖角零件的扫描路径优化很有必要。如果通过对温度场、应力场和残余应力的研究，利用工艺参数的优化实现对其有效控制将有助于提高成形件的尺寸精度，这样才能有效的促进选择性激光熔化技术的发展^[4]。在SLM加工过程中，工艺参数是影响温度场和应力场的主要因素。SLM 过程实际上是扫描线的填充过程，扫描线的填充形式和方向直接影响粉末床的加热次序，从而影响成形温度场。因此，高效、精确合理的扫描填充方式在减小制件翘曲变形，提高表面的光洁度、精度和强度等方面有着重要的作用。

目前国内外探讨扫描方式对SLM技术温度场和应力场的影响的研究取得了一些进展，但尚未透彻，而且只局限在几种材料上，研究Q235B的SLM过程较少。为了避免实验研究带来的大量人力、财力和时间成本，同时克服其可重复性差的缺点。本文拟采

用有限元数值模拟的方法，建立基于过程工艺参数和材料热物性参数的选择性激光熔化成形过程的数值分析模型，首先分析选择性激光熔化成形过程的温度场和应力场的演变过程，得出SLM 过程温度场和应力场的一般规律，然后分析温度场、应力场和变形量的内在联系，最后利用该分析模型，分析尖角截面下的不同扫描路径对变形量的影响，依此优化扫描方式。采用数值模拟方法，大大提高了优化SLM工艺参数的质量与效率。通过本论文的研究可以有效的减小尖角截面形状SLM 加工中的翘曲变形现象。

1.2国内外研究现状

1.2.1激光增材制造相关数值分析研究现状

目前，SLM技术的成形设备和材料价格较高，依赖试验探究优化成形工艺参数的经济和时间成本都较高。利用计算机的数值模拟方法研究SLM 技术的成形机理可以有效的克服试验的弊端，提高工艺参数优化效率。目前，国内外学者已利用计算机模拟仿真技术对增材制造技术的成形机理进行了一定的研究。