关键字： 关键词: 生死单元技术；金属粉末直接激光烧结；数值模拟；温度场 摘　要： 利用生死单元技术，对金属粉末多层选择性激光烧结进行三维温度场模拟。结果表明，多层烧结过程中，下一烧结层的激光能量对已烧结好的层有一定影响，随着烧结层数的增加，影响逐渐减小，最后达到一个稳态的温度分布；由于粉末热导率的影响，多层烧结中，底层的温度比上面烧结层的温度高，因此较大的温度梯度使得烧结件的底部易发生变形。

金属粉末直接激光烧结(Direct metal laser sintering, DMLS)技术是选择性激光烧结SLS技术的发展。DMLS工艺中，激光热源直接烧结金属粉末成型零件，该技术以分层技术为基础，加工二维层片叠加形成复杂的三维实体，不受零件几何形状的限制，缩短了研发时间，无需前处理和后处理的工艺步骤，节约成本[1]。因此，DMLS技术具有广泛的应用前景，尤其在模具、机械和航天航空等领域。目前，DMLS技术仍在发展的初期阶段，金属烧结件普遍存在致密度低、强度低、残余应力以及翘曲变形等缺陷，金属粉末的烧结模拟较聚合物来说，具有一定的难度。

国内外学者们已经开展了大量的研究[2-6]，通过数值模拟来调节烧结过程中的加工参数，改变粉末材料的性能，分析烧结过程中的温度场和应力场的变化，以改善零件的缺陷。目前大多数的模拟考虑了材料热物理性能随温度的变化、相变潜热等，但是这些分析多为单层单道的数值模拟，对多层烧结的模拟还不多见。本文采用ANSYS商业化模拟软件，建立了三维的DMLS温度场有限元模型，采用生死单元技术，实现了多层烧结工艺过程模拟。

模型建立

有限元模型如图1所示，粉床的尺寸为5×3×0.6mm，烧结区域为2×1×0.4mm，分为四层，单元尺寸为0.1×0.1×0.1mm，底部5×3×0.2mm为基体，图1 b)中矩形框内为烧结区域。模拟采用低碳钢（Q235钢）粉末为烧结材料，其相应的材料参数[7]如表1所示。单元选用ANSYS单元库中的热分析单元，采用八节点六面体solid70单元。激光光束多道扫描路径采用光栅扫描方式，扫描间距为0.2mm。模拟中激光光束能量的输入为高斯分布，以热流密度Q(x,y,z)的方式输入到粉床中，以一定的速率沿X轴向移动，如图1 b)箭头所示。

烧结工艺参数为，激光功率200W，激光光斑直径0.4mm，扫描速度为0.04m/s，粉床的有效辐射率为0.8，自然对流施加在粉床表面激光非照射区域，对流换热系数为10，环境温度为20℃。

分页：[1] [2] [3] [4]