1大型有限元軟件ANSYS在網(wǎng)格劃分、相變潛熱的處理、變熱物性參數(shù)的處理等方面有著獨特的優(yōu)勢。在清晰、直觀地顯示模擬結(jié)果方面，ANSYS更有獨到之處，可以將結(jié)果用彩色等值、矢量圖、梯度以及動畫等形式展現(xiàn)出來。基于上述考慮本文利用ANSYS軟件建立了DMLS金屬粉末激光直接多道燒結(jié)的三維瞬態(tài)有限元模型。

　　2直接金屬粉末燒結(jié)成型（DMLS）的成型機理分析和成型過程

　　金屬粉末的激光燒結(jié)實質(zhì)上就是金屬粉末在激光照射作用下的快速熔凝過程。對于金屬粉末而言，液相燒結(jié)（LPS）機制是激光燒結(jié)的唯一可行機制。液相燒結(jié)的基本原理為：對于多組元金屬粉末而言，燒結(jié)時僅低熔點金屬粉末熔化，通過已熔化的低熔點、液態(tài)的金屬流動把未熔化的結(jié)構(gòu)金屬粉末粘結(jié)在一起；對于單組元金屬粉末，燒結(jié)時，當最高溫度超過金屬粉末的熔點時，金屬粉末表層生成液相作為粘結(jié)劑粘結(jié)金屬粉末，由于平均溫度低于金屬粉末的熔點，因此未生成液相的金屬粉末仍保持其固相骨架來作為結(jié)構(gòu)粉末。

　　國內(nèi)外已有大量文獻研究和闡述了DMLS的成型過程：DMLS是一個逐層鋪粉、逐行掃描的選擇性燒結(jié)工藝過程。工作時，在充滿保護氣體的環(huán)境中，激光器產(chǎn)生的激光束在計算機的控制下以一定的掃描速度和能量在預先鋪好的粉末上根據(jù)識別的分層信息進行有選擇的掃描燒結(jié)。當?shù)谝粚訜Y(jié)完畢后，工作臺下降一個層厚，鋪上新粉，進行第二層的掃描燒結(jié)。如此反復循環(huán)掃描，即可完成三維實體模型的制作。

　　3DMLS多道燒結(jié)有限元模型的建立

　　模型尺寸為：7mm3mm1mm，其中燒結(jié)區(qū)域為上表面的5mm1mm.為了能準確地反映金屬粉末激光燒結(jié)溫度場的分布規(guī)律，需要在激光束掃描經(jīng)過的區(qū)域及與其相鄰的區(qū)域內(nèi)劃分較密的有限元網(wǎng)格來保證足夠的計算精度；同時為了避免過多的網(wǎng)格引起的計算時間過長，在其它區(qū)域可以采用較粗的網(wǎng)格來劃分。本計算中，利用ANSYS中的Solid70八面體六節(jié)點熱單元對有限元模型進行劃分。工作區(qū)域及鄰近區(qū)域單元格長度為01mm01mm，其余區(qū)域為03mm01mm.

　　31熱邊界條件的確定

　　DMLS的熱傳導行為可以使用基于Fourier熱傳導定律和能量守恒的經(jīng)典三維熱傳導方程來描述，DMLS是一個非常復雜的熱處理過程，在整個燒結(jié)過程中一直伴隨著熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳熱方式。具體表現(xiàn)為粉床上表面和外部環(huán)境氣體進行熱輻射和對流；粉末顆粒之間的熱傳導；激光對粉末表面的熱輻射。

　　為了避免燒結(jié)過程中產(chǎn)生較大的溫度梯度，燒結(jié)前必須對整個粉床進行預熱，設均勻預熱溫度為T0，則泛定方程（1）的初始條件為：T（x，y，z，t）|t=0=T0（2）粉床的上表面與周圍環(huán)境存在著熱對流和熱輻射，屬于第三類邊界條件：-keTzz=0 h（TS-TE） （T4-T4E）=q（3）式中TS粉床表面溫度TE空間環(huán)境溫度h對流換熱系數(shù)熱輻射系數(shù)StefanBotzmann常數(shù)，約為567108W/（m2K4）由于粉末顆粒相對于粉床來說非常小，因此可以將粉床近似地看成一個半無限大體，則在粉床底面無熱量損失，即-keTz=0（4）32熱物性參數(shù)的處理DMLS是一個典型的瞬態(tài)熱傳導過程，那么粉末的熱物性參數(shù)如導熱系數(shù)、比熱容、密度等都在隨著溫度的變化而變化，至今還沒有一個精確的數(shù)學模型來描述這些參數(shù)和溫度之間的函數(shù)關系。ANSYS對于這些熱物性參數(shù)的處理是通過一些關鍵溫度點處的參數(shù)值建立矩陣表格，軟件本身會通過內(nèi)插法和外推法來精確確定未知點處的溫度值。熱物性參數(shù)對成型件性能的影響很大，其中粉床的有效導熱系數(shù)和熱吸收率是兩個最為重要的參數(shù)。燒結(jié)過程中的傳熱機理非常復雜，而且導熱系數(shù)與粉末顆粒的堆垛方式有很大關系（在DMLS工藝中熱傳導主要是通過相鄰顆粒之間燒結(jié)頸的面接觸進行的）。因此，一般情況下將金屬顆粒近似為均勻球體用Gusarov模型來計算DMLS中粉床的有效導熱系數(shù)。粉床的熱吸收率主要取決于激光波長、材料特性、燒結(jié)氛圍和燒結(jié)溫度等，模擬中選擇已有的實驗測量值來進行。

　　33連續(xù)移動的瞬態(tài)高斯型激光熱源的實現(xiàn)及光斑處理

　　在燒結(jié)過程中激光能量是以熱流密度的形式輸送到粉末中，而且熱源在時刻按一定的速率移動。

　　在DMLS中一般認為激光的功率密度服從高斯分布：q（x，y）=2AP2exp（-2（x-x0）2 （y-y0）2）（5）式中q（x，y）激光功率密度P激光功率激光光斑半徑A粉床對激光的吸收率（x-x0）2 （y-y0）2粉床任一點到光斑中心的距離DMLS溫度場屬于瞬態(tài)溫度場，熱源的移動模擬是利用ANSYS參數(shù)化設計語言（ANSYSParametricDesignLanguage，APDL）建立載荷的矩陣表格將空間域離散到時間域上，在不同時刻不同位置提供相應的熱源載荷輸入，并設定一定的時間步長，通過循環(huán)加載來處理。算法思想可以描述為：在第一次求解過程中假設模型具有統(tǒng)一的初始溫度和邊界條件，在后續(xù)循環(huán)中首先除去上一道的熱源輸入，在新的位置上提供熱源，并將上一次的計算結(jié)果溫度作為本次的初始條件來計算熱傳導矩陣和比熱矩陣，這樣依次循環(huán)直到燒結(jié)道全部完成，燒結(jié)過程、熱源的移動所示。

　　為了使有限元模型接近真實工況，有限元模擬中對圓形光斑做了近似處理，劃分網(wǎng)格時單元格長度為光斑直徑的1/4，這樣能保證有限元模型的光斑近似為圓形。光強分布以中間4單元格的02mm02mm的區(qū)域內(nèi)為最高能保證粉末完全熔化，其余光強稍弱只能使粉末受熱或熔融。待下一道掃描時能保證上一道已受熱的粉末完全熔化。每次向前推進一個單元格，虛線圓到實線圓的移動。

　　原則上要求時間步長非常小，模擬中采用時間步長為0002s，以微小的時間步進來代替實際的連續(xù)移動。其中，空白區(qū)域為未燒結(jié)的金屬粉末，純黑色區(qū)域為正在燒結(jié)的粉末，淺黑色區(qū)域為已凝固的粉末，斜線區(qū)域為已受熱但未熔化的粉末。

　　34相變潛熱的處理

　　在DMLS過程中存在著固液、液固相變，因此將產(chǎn)生相變潛熱。相變潛熱是指相變過程中吸收或放出的熱量，對金屬晶體材料的燒結(jié)溫度場而言相變潛熱是不可忽略的一個因素。ANSYS中處理相變潛熱問題是通過定義不同溫度下的焓值來解決的。

　　4計算結(jié)果及分析

　　為了檢驗有限元模型的正確性，模擬選用常用的水霧化鐵粉作為燒結(jié)材料。本模擬中采用光柵式往復掃描燒結(jié)方式，掃描間距02mm，掃描三道，每道長5mm，用時01s；所用熱物性參數(shù)及工藝參數(shù)，其余參數(shù)：常溫下空氣的對流系數(shù)取10，有效輻射率取08.模擬結(jié)束后提取各個關鍵時刻、關鍵位置的溫度云圖及曲線并作如下分析：

　?。?）由圖中可以清晰地看出：移動的激光熱源所形成的溫度場的表面形狀不同于靜止的激光束產(chǎn)生的圓形分布，而是呈現(xiàn)一個拖著尾巴的彗星狀，具體表現(xiàn)為燒結(jié)前端的溫度等值線比已燒結(jié)區(qū)域的要細密。縱切面的形狀為勺形，并且熔池中最高溫度不在激光光斑中心，而是稍微滯后于激光光斑中心。

　?。?）A、B、C三點分別在第一道燒結(jié)線上，且穿過熔池中心，A、B、C三點所在時刻分別為003秒、006秒、009秒。D、E兩點分別在第二、三道燒結(jié)線上，且穿過熔池中心，所在時刻分別為019秒、029秒。路徑CF為009秒時刻縱切面上一條鉛垂線，長度為粉床厚度。1st、2nd、3rd分別為往復掃描的軌跡。C1為第一道燒結(jié)線穿過熔池中心且與X軸平行，C2、C3、C4與C1等距分布，間距為01mm.

　　分別為009s、019s、029s時刻沿軌跡1st、2nd、3rd的溫度變化曲線。可以看出：光斑中心的溫度隨著時間的增加而逐漸升高：第一、二、三道燒結(jié)結(jié)束時光斑中心溫度分別為1659、1732和1782.這是由于氣壓燒結(jié)爐開發(fā)成功[/url]時熱量的積累效應造成的，即已燒結(jié)部分對正在燒結(jié)部分有加熱作用；并且隨著燒結(jié)道的增加，粉床的整體溫度逐漸升高，第三道結(jié)束時整個粉床的溫度已經(jīng)升到1186.由于各道燒結(jié)的光斑中心溫度已高于鐵的熔點溫度1538，因此在燒結(jié)過程中光斑中心將形成溶池產(chǎn)生液相，這與理論分析的液相燒結(jié)機制相吻合。因此在對燒結(jié)過程的模擬時必須考慮相變潛熱的影響。

　?。?）粉床上定點A、B、C三點的溫度時間熱循環(huán)曲線。如圖所示：由于激光束掃描三道，因此溫度曲線有三個循環(huán)過程。當激光束經(jīng)過點A時，該點溫度由低溫迅速升高到162589，高于金屬粉末熔點，金屬粉末發(fā)生熔化；當激光束離開A點時，該點溫度迅速下降到熔點以下。B、C兩點的溫度變化趨勢與A點大體相同。通過查看溫度數(shù)值或從曲線上可以清晰地看出，A、B、C三點溫度逐漸升高。這是因為激光束在掃描粉床前端時，由于熱傳導作用使粉床的溫度升高，那么激光束在粉床后端掃描時，粉床的初始溫度升高，所以同一燒結(jié)道粉床后面的溫度要稍高。

　　（4）在移動熱源作用下、掃描時間為009秒的條件下粉床上表面的溫度分布曲線?？梢钥闯觯喝鄢刂行牡臏囟茸罡撸S著與熔池距離的增加，溫度逐漸降低。

　?。?）從圖中或查看節(jié)點溫度值可知，005mm處的溫度在1542左右，高于金屬的熔點，即熔深要大于005mm（從009秒時刻X軸切片溫度分布也可看出）。這說明在目前的燒結(jié)參數(shù)下，金屬粉末是在全熔融狀態(tài)下進行燒結(jié)的，并且由燒結(jié)深度可以看出層與層之間搭接良好。

　?。?）009秒和01秒分別是第一道燒結(jié)剛結(jié)束、第二道燒結(jié)剛開始的時刻。從曲線可以看出在短短的001秒內(nèi)光斑中心溫度急劇下降近1000.溫度梯度非常大，將產(chǎn)生較大的熱應力，也是成型件易發(fā)生翹曲變形的位置所在。這是由于在燒結(jié)道的轉(zhuǎn)接處，外圍是未燒結(jié)的粉末，內(nèi)側(cè)是已凝固的金屬，而金屬的導熱系數(shù)遠比粉床導熱系數(shù)大的緣故。

　　5結(jié)語

　　綜合考慮熱傳導、熱輻射、熱對流及變熱物性參數(shù)、相變潛熱的影響，利用ANSYS軟件建立了金屬粉末多道燒結(jié)的三維有限元模型。通過該有限元模型可以掌握金屬粉末激光燒結(jié)溫度場的動態(tài)分布及所形成激光熔池的加熱和冷卻規(guī)律。模擬結(jié)果表明模擬的最高溫度為1782，高于鐵的熔點，在鐵粉顆粒表面產(chǎn)生液相；而平均溫度仍低于鐵的熔點以保留鐵粉顆粒的固相骨架；未燒結(jié)顆粒通過液相凝固時產(chǎn)生的燒結(jié)頸得到有效的連接。模擬結(jié)果與文獻開展的水霧化鐵粉的實驗結(jié)果完全吻合，表明此計算模型是正確和可靠的，因此可以利用此計算模型進行金屬粉末激光直接燒結(jié)工藝參數(shù)的合理優(yōu)化。