基于空气动力学透镜的线性聚焦3D打印送粉喷头设计与性能研究

提出一种基于“空气动力学透镜”的具有粉末线性聚焦功能的新型3D打印送粉喷头,可以使粉末流在喷头出口一定距离内均保持汇聚状态。设计了该新型喷头的内腔结构,建立了粉末颗粒在喷头中的汇聚运动模型,分析了颗粒运动的斯托克斯数S、空气动力学透镜第一节孔径df、孔径收缩率δ以及粉末进入喷头的入射角α对粉末颗粒聚焦性能的影响。研究结果表明:对于粒径为15~25μm的316L颗粒,该喷头可以将粉末颗粒聚焦成半径1.55 mm的粉末流,且在喷嘴外20 mm范围内均保持良好的汇聚状态;实验结果和计算结果基本一致。该新型空气动力学透镜3D打印送粉喷头的颗粒汇聚性能明显优于传统喷头,对于促进沉积增材制造的灵活性和适用性具有重要意义。

3D打印送粉颗粒温度场研究

为了确定送粉喷头所输送的粉末颗粒到达加工基板表面时的温度分布,以及各参数对粉末颗粒温度的影响,建立了一种基于粉末颗粒位置的激光束与粉末流相互作用模型,采用经典光学理论计算了粉末流对激光束的削减作用,利用热平衡原理计算了粉末颗粒温度的上升。分别计算了316L粉末颗粒在同轴送粉和旁轴送粉时的温度分布,同轴送粉时,粉末颗粒温度迅速上升。旁轴送粉时,送粉速率和送粉角度都会对粉末颗粒的温度产生影响,降低送粉速率或者增加送粉角度都会导致粉末颗粒温度整体上升,可以通过调节送粉速率、送粉角度、送粉距离以及激光功率实现更合适的加工工艺。所建立的激光束与粉末流相互作用的模型,对于计算此类问题具有参考价值。