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與傳統(tǒng)加工相比，快速成型技術(shù)有著生產(chǎn)周期短、靈活性高、加工柔性高以及精度高等優(yōu)點(diǎn)。直接金屬快速成型技術(shù)由計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的CAD技術(shù)模擬制件的三維模型，再由成型設(shè)備根據(jù)模型，利用切片技術(shù)進(jìn)行層層燒結(jié)，最后成型制件。在燒結(jié)過程中，熱場的分布影響著制件成型精度和強(qiáng)度，有限元分析利用ANSYS對金屬(鈦)在燒結(jié)過程中的熱場進(jìn)行模擬，分析燒結(jié)參數(shù)對金屬粉末在燒結(jié)過程中受熱均勻性的影響，選擇出較為合適的參數(shù)組來對金屬進(jìn)行燒結(jié)。
直接金屬燒結(jié)是使金屬粉末在激光的作用下，直接生產(chǎn)高致密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的的成型制件。但是對于燒結(jié)成的制件，在快速冷卻的過程會(huì)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的翹曲變形，進(jìn)而影響制件的成型質(zhì)量以及精度，究其原因主要是金屬粉末層產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致制件產(chǎn)生熱應(yīng)力及翹曲變形，通過對熱應(yīng)力場的分析，能夠得到熱場及熱場梯度沿著X軸及Y軸分布情況，以及一些燒結(jié)參數(shù)如：燒結(jié)功率、激光束直徑、燒結(jié)時(shí)間、間隔時(shí)間以及掃描間距對溫度場分布的影響方式。
為了更為準(zhǔn)確的模擬溫度場，對其數(shù)學(xué)模型的建立設(shè)定如下假設(shè)條件：
(1)由于熱輻射產(chǎn)生的熱量，只發(fā)生在燒結(jié)層金屬的內(nèi)部，并且假設(shè)激光束的熱量直接與燒結(jié)層金屬的表面接觸，并且滿足高斯分布；
(2)金屬粉末層很薄，故溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力類型為平面應(yīng)力；
(3)激光光斑形狀為圓形，整個(gè)燒結(jié)層都是同性并且連續(xù)的；
(4)粉末中所有的固體顆粒形狀都被假設(shè)為球狀并且尺寸一致。
在直角坐標(biāo)系中的對溫度場的有限元分析方法已經(jīng)得到了應(yīng)用，下面給出的表達(dá)式分別是：元素電容矩陣e，熱傳導(dǎo)率矩陣［K］e，邊界熱流矢量{f}，式中：{N}e是節(jié)點(diǎn)處函數(shù)矢量，［B］e是溫度隨著節(jié)點(diǎn)變化的導(dǎo)數(shù)矩陣，{qg}e是節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生熱量的導(dǎo)數(shù)矢量。通過計(jì)算機(jī)對積分表達(dá)式進(jìn)行運(yùn)算，利用高斯積分的方法在每個(gè)方向上三點(diǎn)位置處進(jìn)行積分，則獲得整體的微分公式，式中：GC是有限元模型的整體電容矩陣，GK是有限元模型的整體剛度矩陣，GF是有限元模型的應(yīng)力矢量(滿足右手法則)，T是整體的溫度矢量，{T}是整體的溫度矢量的導(dǎo)數(shù)。溫度T隨時(shí)間變化的一次常微分方程，而這些方程可以通過隱式差分的運(yùn)算方法轉(zhuǎn)換成一系列的代數(shù)方程，運(yùn)算結(jié)果要隨著時(shí)間間隔，隨著模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)位置的變化，一步一步的進(jìn)行運(yùn)算獲得，時(shí)間間隔Δt包含兩個(gè)時(shí)步，一個(gè)是燒結(jié)時(shí)間Δt1以及間隔時(shí)間Δt2，即激光束發(fā)生裝置的周期性。
為了更確切的分析出在燒結(jié)過程中，其溫度場分布的特性，應(yīng)用有限元分析(ANSYS)做出更加準(zhǔn)確的模擬與分析，通過ANSYS分析，可以核實(shí)所建立的有限元模型是否和在燒結(jié)過程中單層金屬粉末溫度場的分布一致。
激光束的相關(guān)參數(shù)以及材料的相關(guān)屬性如下述：激光的燒結(jié)功率P=2W，激光斑的半徑Ｒ=50xe-6m，激光束的掃描速度V=1mm/s，鈦金屬的熱傳導(dǎo)率k=1.45W/mK，密度ρ=2931.5kg/m3，比熱容C=335J/kgK。
如圖2是在平面直角坐標(biāo)系中，給出了經(jīng)過有限元分析方法計(jì)算得到的溫度分布情況和試驗(yàn)測得的溫度分布的情況的對比。當(dāng)實(shí)驗(yàn)中實(shí)際測得的最高溫度是1500K時(shí)，取相同的參數(shù)條件下，經(jīng)過有限元分析方法計(jì)算得到的實(shí)際最高溫度應(yīng)該是2134.8K，究其原因在于在測量過程中，由于操作等原因，會(huì)有熱量的損失。所以，當(dāng)同時(shí)考慮粉床的密度以及傳導(dǎo)率的因素的時(shí)候，理論計(jì)算的最高溫度值要高于試驗(yàn)所測得的數(shù)值，當(dāng)經(jīng)過相當(dāng)短的時(shí)間之后，計(jì)算得到的溫度值將趨近于實(shí)際測得的實(shí)驗(yàn)值。
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