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摘 要

增材制造技术由于具有快速成型、不受产品结构限制等一系列优势，加快推动了传统制造业的转型以及升级，在生物制药、汽车以及航天航空等等行业普遍应用。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。为了获得金属粉末在增材制造过程中的微观动力学特性，离散单元法（Discrete element method, DEM）开始被研究者应用于跟踪颗粒，以获得实验方法无法获得的粉层微观成型过程。颗粒的流变特性对金属增材质造过程中粉末的流动特性有着极为重要的影响。颗粒物质作为一种较为特殊的形态，相较于常见的固体、液体和气体表现出的离散特性有所不同。本设计使用离散单元法，通过EDEM软件对小球压头贯入模型进行模拟试验和数值分析。通过改变压头贯入速度和粘性系数来分析其对颗粒流动性的影响。结果表明，硬度和应力都随着贯入深度和压痕投影面积的增加而增加，贯入速度在0.01m/s时有较好的流动性，粘性系数越小颗粒的流动性也越好。

关键词：增材制造技术 金属颗粒 离散单元法 贯入实验 流动性

Study on particle property calibration of additive metal powder based on discrete element numerical simulation

Abstract

AM （additive manufacturing) technology has the advantages of rapid prototyping and not limited by product structure, which promotes the transformation and upgrading of traditional manufacturing industry and is widely used in biomedicine, automobile, aerospace and other industries.In AM, The quality of the powder layer determines the stability of processing and the performance of the final product. In order to obtain the micro dynamic characteristics of metal powder in the process of AM, scholars began to trace each particle DEM (discrete element method), in order to obtain the micro forming process of powder layer which can not be obtained by DEM. In the process of metal AM, one of the important factors that affect the flow characteristics of powder is the flow characteristics of particles.The special dispersion of particulate matter makes it different from other general solid, liquid and gas. In this design, DEM is used to simulate and analyze the penetration model of small ball head by EDEM software. In order to analyze the effect of indenter on particle fluidity, the penetration velocity and viscosity coefficient of indenter were changed. It is concluded that hardness and stress are proportional to indentation depth and projection area. When the penetration speed is 0.01m/s, the fluidity of particles with smaller viscosity coefficient is better.

Key words: additive manufacturing、technology metal、Discrete element method、penetration test、fluidity

目录

目录 III

第一章 绪论 1

1.1增材制造与金属增材制造 1

1.2铺粉过程 2

1.3粉末流动性 2

1.4研究现状 3

1.5本文研究内容 4

第二章 离散单元法 6

2.1离散单元法简介 6

2.2 接触模型 7

2.3Hertz接触模型、JKR接触模型和DMT接触模型 8

2.4本设计使用模型 10

第三章 贯入模拟实验数据 13

3.1分析方法 13

3.2 贯入速度对于总力和硬度影响分析 14

3.3 粘性系数对总力和硬度的影响分析 19

3.4 总结分析 24

第四章 总结 25

4.1 结论 25

4.2 讨论 25

4.3经济成本以及环境影响 26

4.4 展望 26

参考文献 28

致谢 31

第一章 绪论

1.1增材制造与金属增材制造

增材制造（additive manufacturing），简称AM，俗称3D打印。这项技术是基于计算机技术、材料成型等技术通过数字建模，用软件和数控系统将指定的金属及非金属材料和医用材料进行加工。其加工方式为挤压、烧结、熔融、光固化、喷射堆积叠加物料，生产出物品实体。AM区别于传统的切削的加工工艺和组装成成品的方式，呈现出一种从上往下基于材料堆叠的制造方式，直接从原料到成品。这就使得以往受到传统加工制造方法的约束得以突破，让以往无法实现的复杂结构件的生产加工从不可能变为可实现[1]。

在过去的20年，增材制造技术得到了很大的发展，“快速原型制造（rapid prototyping）”、“三维打印(3d printing )”、“实体自由制造(solid free-form fabrication) ”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点[2]。

AM是一种基于离散堆积理论，用所需成品三维参数驱动直接制造零件的工艺技术。基于不同的分类原则和理解方式，3D打印技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3d打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同[3]。

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