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關(guān)鍵字： 關(guān)鍵詞: 生死單元技術(shù)；金屬粉末直接激光燒結(jié)；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng) 摘　要： 利用生死單元技術(shù)，對(duì)金屬粉末多層選擇性激光燒結(jié)進(jìn)行三維溫度場(chǎng)模擬。結(jié)果表明，多層燒結(jié)過(guò)程中，下一燒結(jié)層的激光能量對(duì)已燒結(jié)好的層有一定影響，隨著燒結(jié)層數(shù)的增加，影響逐漸減小，最后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)的溫度分布；由于粉末熱導(dǎo)率的影響，多層燒結(jié)中，底層的溫度比上面燒結(jié)層的溫度高，因此較大的溫度梯度使得燒結(jié)件的底部易發(fā)生變形。

金屬粉末直接激光燒結(jié)(Direct metal laser sintering, DMLS)技術(shù)是選擇性激光燒結(jié)SLS技術(shù)的發(fā)展。DMLS工藝中，激光熱源直接燒結(jié)金屬粉末成型零件，該技術(shù)以分層技術(shù)為基礎(chǔ)，加工二維層片疊加形成復(fù)雜的三維實(shí)體，不受零件幾何形狀的限制，縮短了研發(fā)時(shí)間，無(wú)需前處理和后處理的工藝步驟，節(jié)約成本[1]。因此，DMLS技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在模具、機(jī)械和航天航空等領(lǐng)域。目前，DMLS技術(shù)仍在發(fā)展的初期階段，金屬燒結(jié)件普遍存在致密度低、強(qiáng)度低、殘余應(yīng)力以及翹曲變形等缺陷，金屬粉末的燒結(jié)模擬較聚合物來(lái)說(shuō)，具有一定的難度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究[2-6]，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)調(diào)節(jié)燒結(jié)過(guò)程中的加工參數(shù)，改變粉末材料的性能，分析燒結(jié)過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(duì)多層燒結(jié)的模擬還不多見(jiàn)。本文采用ANSYS商業(yè)化模擬軟件，建立了三維的DMLS溫度場(chǎng)有限元模型，采用生死單元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多層燒結(jié)工藝過(guò)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(jié)區(qū)域?yàn)?×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(jié)區(qū)域。模擬采用低碳鋼（Q235鋼）粉末為燒結(jié)材料，其相應(yīng)的材料參數(shù)[7]如表1所示。單元選用ANSYS單元庫(kù)中的熱分析單元，采用八節(jié)點(diǎn)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(dòng)，如圖1 b)箭頭所示。

燒結(jié)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(duì)流施加在粉床表面激光非照射區(qū)域，對(duì)流換熱系數(shù)為10，環(huán)境溫度為20℃。

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