直接金属粉末激光烧结成形过程温度场模拟 (2005年)

在综合考虑热传导、热辐射及对流等热现象的基础上。初步建立了用于模拟激光烧结过程中传热行为的数学模型。根据Gusarov模型求得粉床的有效导热系数，表明导热系数与铺粉过程中粉末的堆垛方式以及烧结过程中的粘结率有关。在绝热边界条件和部分热物性参数恒定的合理简化下，利用解析法求解了热传导方程。利用FORTRAN语言编写了求解结果的运算程序，并对基模高斯激光近似作用下水雾化铁粉的烧结成形温度场进行了数值模拟，模拟结果较好地验证了实验结果。 ### 直接金属粉末激光烧结成形过程温度场模拟 #### 一、研究背景与意义 本研究针对直接金属粉末激光烧结（Direct Metal Laser Sintering, DMLS）技术进行深入探讨。DMLS是一种先进的增材制造技术，通过激光加热金属粉末层并使其熔融或软化来构建三维零件。为了提高DMLS工艺的质量控制水平，需要对烧结过程中温度场的变化进行准确预测。温度场的变化直接影响到最终产品的微观结构和力学性能。 #### 二、数学模型建立 ##### 2.1 传热行为模拟 在建立数学模型时，考虑到了热传导、热辐射和对流等多种热传递机制。通过对这些复杂热现象的综合分析，研究人员建立了一个可以模拟激光烧结过程中热传导行为的数学模型。这一模型不仅考虑了热源（激光）的作用，还考虑了周围环境的影响，如对流换热等。 ##### 2.2 导热系数计算 研究采用了Gusarov模型来计算粉床的有效导热系数。该系数与粉末的堆垛方式（即粉末颗粒间的接触面积和排列方式）以及烧结过程中的粘结率紧密相关。通过精确计算导热系数，可以更准确地模拟烧结过程中热量的分布情况。 #### 三、数值模拟方法 ##### 3.1 边界条件与热物性参数设定 为了简化计算，研究假设在绝热边界条件下进行模拟，并且部分热物性参数保持不变。这种简化虽然牺牲了一定程度的准确性，但在实际应用中却是合理的，因为它可以显著减少计算资源的需求。 ##### 3.2 热传导方程求解 基于上述假设条件，研究者使用解析法求解了热传导方程。这种方法能够给出较为精确的温度分布预测，对于理解和优化DMLS工艺具有重要意义。 ##### 3.3 运算程序开发 为了实现数学模型的数值模拟，研究人员使用FORTRAN语言编写了求解程序。FORTRAN作为一种高效的科学计算语言，在处理复杂的数学问题方面具有优势。通过该程序，研究者能够快速获得模拟结果。 #### 四、案例分析 ##### 4.1 模拟对象 本研究选取了水雾化铁粉作为模拟对象。水雾化铁粉是一种常见的金属粉末材料，广泛应用于DMLS领域。 ##### 4.2 模拟条件 模拟过程中假设激光束为基模高斯分布形式，这是一种常见的激光光束形状，有利于简化计算模型。 ##### 4.3 模拟结果分析 通过数值模拟获得了烧结成形过程中的温度场变化情况，并将这些数据与实验结果进行了对比。结果显示，模拟结果与实验结果之间存在较好的一致性，这表明所建立的数学模型和数值模拟方法是有效的。 #### 五、结论 本研究成功地建立了一个可用于模拟直接金属粉末激光烧结成形过程中温度场变化的数学模型。通过对粉末床的有效导热系数进行计算，并采用合理的简化假设条件，结合FORTRAN编程实现了热传导方程的求解。此外，通过水雾化铁粉烧结成形温度场的数值模拟验证了模型的有效性。这项研究为理解DMLS工艺中的热传递机制提供了重要的理论基础，对于优化该技术的实际应用具有重要意义。