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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。直接金屬快速成型技術(shù)由計算機(jī)的輔助設(shè)計系統(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會產(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)時間、間隔時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)點處函數(shù)矢量，［B］e是溫度隨著節(jié)點變化的導(dǎo)數(shù)矩陣，{qg}e是節(jié)點產(chǎn)生熱量的導(dǎo)數(shù)矢量。通過計算機(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方向上三點位置處進(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)果要隨著時間間隔，隨著模型內(nèi)部節(jié)點位置的變化，一步一步的進(jìn)行運(yùn)算獲得，時間間隔Δt包含兩個時步，一個是燒結(jié)時間Δt1以及間隔時間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算得到的溫度分布情況和試驗測得的溫度分布的情況的對比。當(dāng)實驗中實際測得的最高溫度是1500K時，取相同的參數(shù)條件下，經(jīng)過有限元分析方法計算得到的實際最高溫度應(yīng)該是2134.8K，究其原因在于在測量過程中，由于操作等原因，會有熱量的損失。所以，當(dāng)同時考慮粉床的密度以及傳導(dǎo)率的因素的時候，理論計算的最高溫度值要高于試驗所測得的數(shù)值，當(dāng)經(jīng)過相當(dāng)短的時間之后，計算得到的溫度值將趨近于實際測得的實驗值。
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