Затухание интенсивности лазерного излучения при взаимодействии с высокодисперсными порошковыми средами

• Автор: Костенков, Сергей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 160 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Г ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПОРОШКОВЫЕ СРЕДЫ В МЕТОДАХ БЫСТРОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ
1.1. Методы быстрого прототипирования, использующие лазерное излучение
1.2. Материалы, используемые в методах селективного лазерного спекания
1.3. Методы контроля и оптимизации режимов лазерного излучения.
1.4. Теплофизические основы СЛС процессов
1.5. Взаимодействие лазерного излучения с поверхностью металлов .
1.6. Метод измерения энерговыделения в слое порошка при воздействии лазера
1.7. Моделирование теплопереноса при лазерной обработке порошковых материалов
1.8. Модель гомогенной поглощающей-рассеивающей среды
2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ РАССЕЯННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ СРЕДОЙ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЧАСТИЦАМИ
2.1. Описание процессов распространения лазерного излучения в высокодисперсных порошковых средах
2.2. Экспериментальный метод определения интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковой средой
2.2.1. Измерение фактической мощности лазерного излучения
2.2.2. Тарировка фотодатчика для измерения интенсивности лазерного излучения
2.2.3. Измерение интенсивности рассеянного лазерного излучения порошковым слоем
2.2.3.1. Порошки, используемые при измерении интенсивности рассеянного лазерного излучения

2.2.3.2. Измерение зависимости интенсивности рассеянного лазерного излучения от толщины слоя и угла рассеяния
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СРЕДАХ
3.1. Анализ применимости уравнений классической электродинамики сплошных сред для моделирования распространения лазерного излучения в порошковых средах
3.2. Обоснование уравнений модели
3.2.1. Уравнения модели
3.2.2. Выбор граничных условий
3.2.3. Обоснование геометрии вычислительной области
3.2.4. Выбор метода интегрирования уравнений и среды численного моделирования
3.3. Результаты 3D компьютерного моделирования
3.4. Анализ результатов 2D компьютерного моделирования
3.4.1. Высокодисперсные порошковые среды с диэлектрическими непрозрачными частицами
3.4.2. Высокодисперсные порошковые среды, состоящие из металлических частиц
4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ДИСПЕРСНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОРОШКИ
4.1. Физико-математическая модель теплопереноса при лазерном воздействии на металлические порошки
4.2. Обоснование выбора объемного источника
4.3. Изменение параметров объемного источника энергии в процессе взаимодействия лазерного излучения с порошковыми средами
4.4. Результаты трехмерного компьютерного моделирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. В настоящее время проводятся интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы [1-3] в различных областях науки и промышленности по созданию новых и совершенствованию развитых ранее технологических методик для производства объемных единичных деталей с усложненной геометрией, сложных по химическому составу и с уникальными физическими свойствами. Ввиду необходимости изготовления функциональных готовых деталей, освоена практически безотходная технология быстрого прототипирования (БП), методы послойного лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ).
Наиболее известными и коммерчески реализованными являются следующие методики послойного синтеза: лазерная стереолитография; селективное лазерное спекание (СЛС); селективное лазерное плавление (СЛП); послойное уплотнение; послойная заливка экструдируемым расплавом; послойное формирование объемных моделей из листового материала; непосредственное создание литьевой формы (3D printing); объемная наплавка.
Общим для всех методик быстрого прототипирования является возможность их применения для [3]: оценки пригодности/работоспособности разрабатываемых новых сложных механизмов; параллельной разработки нового изделия (программы) в нескольких направлениях (вариантах); обеспечения высокой точности, скорости и воспроизводимости копий деталей и машин; прямого использования этих копий в тестовых испытаниях; изготовления эталон - моделей и мастер -форм в технологии литья.
Метод селективного лазерного спекания позволяет создавать модели, отличающиеся повышенной прочностью и большими функциональными возможностями [1]. Порошковый материал в CJIC процессе послойно спекается лазерным излучением (ЛИ). Для этой методики используются мелкодисперсные, термопластичные порошки, с хорошей вязкостью и быстро затвердевающие (полимеры, воск, нейлон, керамика и металлические порошки с добавкой легкоплавкого связующего

чения, целесообразно использовать приближение геометрической оптики. Оценки показывают, что пропускание первого слоя в значительной степени определяется отношением площади зазоров между частицами к общей площади слоя. Как следует из полученных результатов, только 15 — 20% излучения падает на частицы второго слоя при сканировании лазерным лучом, диаметр которого больше размеров частиц. Установлена тенденция роста отражения при селективном лазерном спекании порошка титана с увеличением времени экспозиции, что обусловлено увеличением контактной поверхности и уменьшением пористости за счет плавления. Данные, полученные в измерениях по предлагаемому методу, находятся в согласии с экспериментами [103, 107 - 109] и с результатами теоретических исследований [104, 109, 110]. Так, например, измеренный коэффициент ослабления для порошка со средним диаметром частиц от 20 мкм до 57 мкм и с плотностью от 60% до 54% от твердой фазы, принимает значение от 50 мм'1 до 230 мм'1, при толщине одного слоя 50 мкм.
Рассмотренный экспериментальный метод не позволяет достоверно описать и провести исследования распространения лазерного излучения в высокодисперсных металлических порошковых средах, когда размеры частиц соизмеримы с длинной волны лазерного воздействия, поэтому существует необходимость развивать новые методы и подходы в измерении распределения лазерного излучения в порошковых средах.
1.7 Моделирование теплопереноса при лазерной обработке порошковых материалов
Одна из моделей компьютерного моделирования СЛС - процессов рассматривается в статье [111]. В ней рассмотрено трехмерное моделирование процессов селективного лазерного спекания методом конечных элементов, для того, чтобы исследовать влияние параметров обработки на качество спекаемых частей. Процесс CJTC включает в себя изготовление твердых предметов при спекании порошка слой за слоем. Предварительно подготовленный слой порошка на-