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摘 要

增材制造技术被广泛应用于金属零件加工等制造领域，其生产过程中铺粉粉层质量尤为关键。金属粉末的流动性直接影响了粉层质量的好坏，间接影响了增材制造工艺成品的实用性。通过模拟并研究金属粉末颗粒的速度分布、法向力分布和力矩分布等数据分析粉末颗粒在流动时的流动模型，以及不同表面能下金属粉末的动态响应行为。本实验研究采用转鼓法，利用EDEM软件进行离散单元法模拟分析，建立转鼓以及合适的颗粒模型，结合控制变量法合理调控模拟参数，得出不同参数下金属粉末流动性能图，确定金属粉末流动性的影响机制。

关键词：增材制造 金属粉末 流动模型 转鼓法 离散元法

Study on fluidity of metal powder made from additive by DEM

Abstract

Additive manufacturing technology is widely used in metal parts processing and other manufacturing fields, and the quality of powder coating is particularly critical in the production process. The fluidity of metal powder directly affects the quality of powder layer and indirectly affects the practicability of additive manufacturing process. By simulating and studying the data of velocity distribution, normal force distribution and moment distribution of metal powder particles, the flowing state of metal powder particles and the dynamic response behavior of metal powder under different surface energy are analyzed. In this experiment, the drum method and edem software are used to simulate and analyze the flow of metal powder. The drum and the appropriate particle model are established. The flow performance chart of metal powder under different parameters is obtained and the influence mechanism of the flow of metal powder is determined.

Keywords：Additive manufacturing；metal powder；flow model；Drum method；

Discrete element method（DEM）

目录

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2增材制造技术 1

1.2.1选区激光熔化 1

1.2.2激光熔化沉积 1

1.2.3电子束熔炼 1

1.3铺粉工艺 2

1.4转鼓法与粉体流动性 2

1.4.1转鼓法 2

1.4.2粉体流动分析仪 2

1.5粉体流动性影响分析 2

1.6颗粒物质研究 3

1.6.1颗粒接触模型 3

1.6.2颗粒运动方程 4

第二章 离散元法 5

2.1DEM接触模型 5

2.2模拟过程 8

2.2.1颗粒选取 8

2.2.2转鼓选取 9

2.2.3物性参数 9

第三章 转鼓弗劳德数对金属粉末颗粒流动性的影响 10

3.1不同弗劳德数下的流型分析 10

3.1.1模拟实验结果 11

3.1.2模拟结果总结 16

3.2颗粒力矩分析 17

第四章 表面能对金属粉末颗粒流动状态的影响 19

4.1表面能对颗粒堆积影响 19

4.2表面能对颗粒流动影响 20

第五章 总结、展望与经济性分析 25

5.1总结 25

5.2展望 26

5.3经济性分析 26

参考文献 28

致谢 33

第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

增材制造技术由于具有快速成型、不受产品结构限制等一序列优势，被广泛应用于航空航天、汽车、生物医药等行业，成为了一种推动传统制造业转型升级的重要技术手段。由于金属材料在工业生产中应用最为广泛，使用增材制造技术制造各种传统制造手段难以加工的金属零部件是增材制造技术的一个重要发展方向^[1]。在金属增材制造过程中，一般首先采用铺粉装置将金属粉末置于加工区并形成薄层，进而采用激光/电子束对该薄层进行融化成型，然后，循环铺粉和融化直至形成所需毛胚^[2]。由此可见，铺粉过程中粉层质量（均匀性和粗糙度）对加工的稳定性和最终产品的性能具有决定性的作用。一般来讲，粉层质量和金属粉末的流动特性密切相关：流动性越好，粉层越均匀，反之，则否。

本设计利用转鼓法，采用离散单元法模拟和分析金属粉末流动性能，确定金属粉末流动性的影响机制。

1.2增材制造技术

目前应用较为广泛的三种增材制造技术包括选区激光熔化、激光熔化沉积以及电子束熔炼^[3]。

1.2.1选区激光熔化

所谓选区激光熔化技术指的是在对零部件进行加工之前先对三维模型进行分层处理，然后针对分层处理后的模型采用扫描系统通过激光束对下一步即将加工的区域进行照射，而后根据照射的区域特征选择相匹配的金属粉末进行熔化处理，继而完成对该区域加工。

1.2.2激光熔化沉积

激光熔化沉积是在选区激光熔化技术的基础上发展而来的。该技术首先也需对三维模型进行分层处理，根据分层所得的轮廓生成与其相对应的加工路径。

1.2.3电子束熔炼

电子束熔炼是首先利用电子束在金属表面形成熔池，该熔池按照预先规定的路径运动^[4]；然后通过送丝装置将金属丝送至熔池并熔化，从而完成对三维模型的加工制造。

1.3铺粉工艺

铺粉工艺包含粒径分布与铺层分布，通过人为指定和实验测定的方法来获取粒径分布特征。铺层分布的作用是为了获取颗粒的分布位置，铺层分布实现方法有规则分布、离散元法分布、雨滴模型分布。其中，离散元法的核心思想是以单个颗粒作为研究对象，考虑颗粒间的法向和切向接触，以及颗粒与辊筒间的作用力，进而更新颗粒运动和位置，可获得符合实际情形的铺层分布。铺粉工艺的分层质量将决定最终成品质量的好坏。

1.4转鼓法与粉体流动性

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