木塑激光增材制造界面结合力的热影响机制及数值模拟

Laser additive manufacturing may print any complex parts without the limits of parts' structure process. However, the high cost of raw materials becomes a bottleneck problem that hinders its popularization and application. After the applicant proposed the use of low-cost wood mixed powder as raw materials for selective laser sintering and succeed, there is a need to study mixed powder itself and the thermal effect mechanism in the forming process in order to improve the mechanical properties of the parts, enhance the binding of the interface, control the porosity and pore shape and pore distribution of the material to achieve custom gene. Study the effect of the mixed powder's component, proportion, scale and scale ratio of different components on its thermal properties ;establish molecular dynamics model ;calculate the blend cohesive energy density and glass transition temperature ;study on interfacial bonding of the mixed powder ;establish the mathematical model of heat and the interface binding force ;establish representative volume element model that can reflect material mesoscopic structure ;build finite element model which is micro-pores and porosity random distribution, group size score any adjustment ;study the influence law of the thermal conductivity along with changes ; further research in the sintering process of various components in the liquid phase sintering under thermal action of rearrangement and dissolve flow, viscous flow evolvement, plastic deformation and volume diffusion and evolution ; study the formation of the interface bonding stress and change rule.

激光增材制造可不受零件结构工艺性的限制而制造出任何形状复杂的零件，但原材料成本高成为其推广应用的瓶颈。申请者提出采用成本低廉的木塑混粉作为选择性激光烧结的原材料并获得成功后，为提高制件的力学性能，增强界面的结合度，控制其孔隙率和孔隙形状及孔隙分布，实现材料的基因订制，需研究混粉本身及成型过程中的热影响机制。研究混粉的组份、配比、尺度及不同组份的尺度比对混粉热性能的影响，建立分子动力学模型，计算混粉内聚能密度、玻璃化转变温度，研究混粉的界面结合度，建立热量与界面结合力的数学模型；建立能够反映材料细观结构的代表体积单元模型，生成微细孔隙随机分布、组份体积分数和孔隙率任意调整的有限元计算模型，研究其变化对热导率的影响规律，进而研究烧结过程中各种组份在热作用下液相烧结时的溶解流动、黏性流动、塑性变形、体积扩散等演化规律，研究界面结合应力的形成及变化规律。

激光烧结（LS）可不受零件结构工艺性的限制而快速制造出复杂形状的模型和零部件，而材料种类少、价格高、难成型是当前制约该先进技术发展的瓶颈。本课题组提出以天然生物质复合材料作为LS耗材的新种类，创制了木、竹、果壳、稻壳等多个种类的木塑混粉耗材，其具备易成型、成本低廉、变形小等优势。为增强材料界面的结合度、提高木塑LS制件的机械性能以及表面质量，主要进行了以下五方面的研究：（1）进行了多种类木塑复合材料物化性能表征及其LS制件成型性能和演变规律研究，包括粘结剂、添加剂、材料热性能、微观结构、材料组分配比、颗粒尺度等对LS工艺参数选取、制件的力学性能和尺寸精度以及表面质量的影响规律；（2）建立木塑复合材料分子模型，采用仿真模拟方法研究混粉组分之间的结合能分布、相容性、不同温度力学参数变化情况，从分子水平上研究木塑复合材料激光烧结成型工艺中光热聚焦作用下的界面结合特性；（3）采用ABAQUS、ANSYS有限元软件，结合激光烧结成型机理，加上LS制件微观形貌观察，解析出获得木塑复合材料LS技术的加工成型热影响机制、界面结合机理等。（4）探究渗蜡、渗树脂、化学镀三种后处理工艺和界面结合力，以此来提高材料机械性能、解决表面浮粉、扩大木塑LS制件应用领域。（5）建立多种木塑混粉的性能库，实现材料基因订制化，推动木塑复合材料的市场化。本项目研究中通过于分子动力学模拟方法揭示了木塑LS制件宏观力学性能与微观界面结合、材料热性能之间的影响关系；以有限元仿真分析方法直接表征了木塑复合材料的成型过程演变规律；以实验设计方法（DOE）获得了木塑制件力学性能公式，初步建立了木塑耗材激光烧结的基础理论。这些数据及理论知识将为成本低廉、环境友好的可持续性木塑复合材料在增材制造领域的应用奠定基础，有助于节能环保材料在先进制造领域的推广应用。