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SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析

來源:納金網(wǎng) 瀏覽數(shù):
責(zé)任編輯:傳說的落葉
時(shí)間:2019-06-04 08:09

[導(dǎo)讀]選區(qū)激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析

作者:謝琰軍


選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting;SLM)的加工過程中存在著效率與質(zhì)量的平衡,當(dāng)粉末鋪得比較厚,激光掃描速度增加的時(shí)候,加工效率比較高,然而也容易發(fā)生熔覆層不平整或者兩層之間空隙增加的現(xiàn)象。

如何找到完美的平衡?通過仿真的手段可以更直觀的研究激光選區(qū)熔化制備機(jī)理并為相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。本期,仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件Ansys Fluent 對激光選區(qū)熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進(jìn)行仿真分析,并在一定工況范圍內(nèi)研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個(gè)參數(shù)對打印熔池及單道熔覆層的影響,該仿真過程的實(shí)現(xiàn)可以更直觀的研究激光選區(qū)熔化制備機(jī)理并為相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

通過對激光選區(qū)熔化激光與粉末的相互作用,單道熔池內(nèi)金屬熔體的流動(dòng)過程,相應(yīng)工藝條件下熔池的形態(tài)及最終熔覆層的特性進(jìn)行研究可以深入理解SLM制備機(jī)理,并可對SLM制備工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)。離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進(jìn)行模擬,從而建立粉末床模型;選區(qū)激光熔化SLM金屬3D打印熔池及單道熔覆層的形成過程仿真可以采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析實(shí)現(xiàn)。

加工原理及粉末床模型的建立

激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting;SLM)樣品制備過程中以激光作為能量源熔化粉末形成熔池,且熔池內(nèi)的金屬會(huì)產(chǎn)生流動(dòng),隨著激光的移開,熔池凝固形成了單道熔覆層。熔池及單道熔覆層的特性影響著最終所制備零件的質(zhì)量。選區(qū)激光熔化熔池及單道熔覆層的形成過程主要涉及三個(gè)區(qū)域:基板(或已成形區(qū)域)、粉末層和保護(hù)氣氛;粉末特性(球形度、粒度分布、流動(dòng)性等參數(shù))對所形成的粉末床層有重要影響。而粉末床對后續(xù)的激光選區(qū)熔化過程有重要影響,因此在仿真分析過程中有必要對粉末床的成形過程進(jìn)行分析。

實(shí)際工況下粉末顆粒尺寸不均勻,隨鋪粉工藝改變粉末顆粒的存在位置及顆粒間距也有所變化,本文采用離散元方法對金屬粉末的鋪粉過程進(jìn)行了仿真分析,模擬在Rocky中進(jìn)行,包含有粉末床層的單道熔池計(jì)算域模型的建立過程如圖1所示:


 
圖1:單道熔池計(jì)算域模型的建立過程,來源安世亞太

網(wǎng)格處理及初始化

本文單道熔池計(jì)算域模型采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,最終的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。


 
圖2:計(jì)算域內(nèi)部某XZ截面網(wǎng)格劃分情況,來源安世亞太

初始設(shè)置將基板(或已成形區(qū)域)和粉末區(qū)域設(shè)置為金屬相(本文計(jì)算為316L合金),其余部位為保護(hù)氣體,各相在計(jì)算域中的存在狀態(tài)如圖3所示(圖示為某一層厚狀態(tài),本文針對不同的層厚進(jìn)行了分析)。


 
圖3:初始各相在計(jì)算域中的存在狀態(tài),來源安世亞太
(紅色為金屬基板及粉末區(qū)域,藍(lán)色為保護(hù)氣體區(qū)域)


激光功率的影響分析

本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同激光功率下熔池及單道熔覆層的形態(tài),某工況下的對比結(jié)果見圖4。


 
圖4:激光功率對熔池及單道熔覆層的影響,來源安世亞太

僅針對圖4所分析工況可以看出:

(1)隨激光功率的增加,打印熔池變寬且加長;

(2)隨激光功率增加,熔池的熔深也增加,熔深的增加增大了上一層打印層(或基板)的重熔區(qū),最終使得兩層之間孔隙減少。


激光掃描速度的影響分析

本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同激光掃描速度下熔池及單道熔覆層的形態(tài),某工況下的對比結(jié)果見圖5。


 
圖5:激光掃描速度對熔池及單道熔覆層的影響,來源安世亞太

僅針對圖5所分析工況可以看出:

(1)隨激光掃描速度的增加,打印熔池變窄且加長;

(2)相應(yīng)工況下隨激光掃描速度的增加,熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)且出現(xiàn)明顯的球化,球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整;

(3)隨激光掃描速度的增加,熔池的熔深減小,熔深的減小使得上一層打印層(或基板)的重熔區(qū)變薄,最終使得兩層之間孔隙增加。

鋪粉層厚的影響分析

本文在其他制備參數(shù)一致的條件下對比了不同鋪粉層厚下熔池及單道熔覆層的形態(tài),某工況下的對比結(jié)果見圖6。


 
圖6:鋪粉層厚對熔池及單道熔覆層的影響,來源安世亞太

僅針對圖6所分析工況可以看出:

(1)隨鋪粉層厚的增加,打印熔池稍有變窄及加長;

(2)在相應(yīng)工況下,隨鋪粉層厚的增加,熔池由連續(xù)逐漸變得不連續(xù)出現(xiàn)明顯的球化,球化的出現(xiàn)使得熔覆層表面變得不平整;

(3)隨鋪粉層厚的增加,使得上一層打印層(或基板)的重熔區(qū)變薄,最終使得兩層之間孔隙增加。

結(jié)論

       總之,通過與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,仿真計(jì)算可以對激光選區(qū)熔化激光與粉末的相互作用,單道熔池內(nèi)金屬熔體的流動(dòng)過程,相應(yīng)工藝條件下熔池的形態(tài)及最終熔覆層的特性進(jìn)行研究,可以深入理解SLM制備機(jī)理,并可對SLM打印機(jī)制備工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo),縮短相應(yīng)的研發(fā)和工藝優(yōu)化流程。


謝琰軍:

材料物理與化學(xué)專業(yè),博士學(xué)位,多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn),參與并實(shí)施多項(xiàng)金屬增材制造科研課題及相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作;目前主要從事增材制造設(shè)備及工藝相關(guān)的仿真及咨詢工作
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