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關鍵字： 關鍵詞: 生死單元技術；金屬粉末直接激光燒結；數(shù)值模擬；溫度場 摘　要： 利用生死單元技術，對金屬粉末多層選擇性激光燒結進行三維溫度場模擬。結果表明，多層燒結過程中，下一燒結層的激光能量對已燒結好的層有一定影響，隨著燒結層數(shù)的增加，影響逐漸減小，最后達到一個穩(wěn)態(tài)的溫度分布；由于粉末熱導率的影響，多層燒結中，底層的溫度比上面燒結層的溫度高，因此較大的溫度梯度使得燒結件的底部易發(fā)生變形。

金屬粉末直接激光燒結(Direct metal laser sintering, DMLS)技術是選擇性激光燒結SLS技術的發(fā)展。DMLS工藝中，激光熱源直接燒結金屬粉末成型零件，該技術以分層技術為基礎，加工二維層片疊加形成復雜的三維實體，不受零件幾何形狀的限制，縮短了研發(fā)時間，無需前處理和后處理的工藝步驟，節(jié)約成本[1]。因此，DMLS技術具有廣泛的應用前景，尤其在模具、機械和航天航空等領域。目前，DMLS技術仍在發(fā)展的初期階段，金屬燒結件普遍存在致密度低、強度低、殘余應力以及翹曲變形等缺陷，金屬粉末的燒結模擬較聚合物來說，具有一定的難度。

國內(nèi)外學者們已經(jīng)開展了大量的研究[2-6]，通過數(shù)值模擬來調節(jié)燒結過程中的加工參數(shù)，改變粉末材料的性能，分析燒結過程中的溫度場和應力場的變化，以改善零件的缺陷。目前大多數(shù)的模擬考慮了材料熱物理性能隨溫度的變化、相變潛熱等，但是這些分析多為單層單道的數(shù)值模擬，對多層燒結的模擬還不多見。本文采用ANSYS商業(yè)化模擬軟件，建立了三維的DMLS溫度場有限元模型，采用生死單元技術，實現(xiàn)了多層燒結工藝過程模擬。

模型建立

有限元模型如圖1所示，粉床的尺寸為5×3×0.6mm，燒結區(qū)域為2×1×0.4mm，分為四層，單元尺寸為0.1×0.1×0.1mm，底部5×3×0.2mm為基體，圖1 b)中矩形框內(nèi)為燒結區(qū)域。模擬采用低碳鋼（Q235鋼）粉末為燒結材料，其相應的材料參數(shù)[7]如表1所示。單元選用ANSYS單元庫中的熱分析單元，采用八節(jié)點六面體solid70單元。激光光束多道掃描路徑采用光柵掃描方式，掃描間距為0.2mm。模擬中激光光束能量的輸入為高斯分布，以熱流密度Q(x,y,z)的方式輸入到粉床中，以一定的速率沿X軸向移動，如圖1 b)箭頭所示。

燒結工藝參數(shù)為，激光功率200W，激光光斑直徑0.4mm，掃描速度為0.04m/s，粉床的有效輻射率為0.8，自然對流施加在粉床表面激光非照射區(qū)域，對流換熱系數(shù)為10，環(huán)境溫度為20℃。

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