基于自適應(yīng)網(wǎng)格法的選擇性激光熔化過程溫度場(chǎng)效應(yīng)分析

供稿人:趙懿臻 張航

選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)是一種很有前途的增材制造技術(shù)。但是真正理解SLM過程便需要理解金屬粉末,、熱傳遞以及溫度場(chǎng)形成之間的相互關(guān)系,。華中科技大學(xué)段偉等人模擬了TC4粉體空心圓筒SLM過程中的溫度場(chǎng)分布�,；�于自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建形狀零件,，并分析溫度隨時(shí)間的變化。

本研究采用了一種改進(jìn)的SLM過程溫度場(chǎng)模擬模型,。包括粉末向致密子模型的轉(zhuǎn)變和移動(dòng)體積高斯分布熱源子模型,。同時(shí)為了提高計(jì)算效率,，在模擬過程中，重要區(qū)域的網(wǎng)格重構(gòu)確保仿真精度,，并且非關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格粗化減少了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和輸出,。因此，仿真中采用了全螺紋樹（Fully threaded tree）技術(shù)作為自適應(yīng)網(wǎng)格策略,。網(wǎng)格細(xì)化或粗化依賴于實(shí)時(shí)某一區(qū)域的溫度,。如果溫度更高比一個(gè)設(shè)定值，特定區(qū)域的網(wǎng)格將細(xì)化,，否則粗化,，如圖1(a)。圖1(b)(c)顯示了模擬結(jié)果中圓桶內(nèi)外圈分布情況,。仿真結(jié)果表明,，在筒體零件SLM過程中，內(nèi)粉床溫度是明顯高于外部的,。

圖1：(a)自適應(yīng)網(wǎng)格的細(xì)化和粗化(b) 粉床SLM過程中網(wǎng)格的填充和粗化 (c) 粉床表面測(cè)點(diǎn)溫度

熔池在SLM過程中不同時(shí)刻的模擬結(jié)果如圖2所示,。從圖2(a)(b)中可以十分清楚地看到熔池的基本形貌，其熔池直徑在60um左右,，深度為30um,。而且熔池存在著溫度不對(duì)稱性。從圖2(c)中可以看出,，靠近圓桶內(nèi)壁的熔池溫度場(chǎng)各深度的溫度點(diǎn)普遍比靠近外部的溫度點(diǎn)高了200度,。這是空心圓桶內(nèi)部的保溫效果所導(dǎo)致的結(jié)果。

圖2：(a)去除粉末層的SLM過程中網(wǎng)格的填充和粗化(b)熔池溫度場(chǎng)(c)熔池深度方向的點(diǎn)測(cè)溫度

本研究將FTT自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用于SLM溫度場(chǎng)模擬,。對(duì)SLM過程中的網(wǎng)格細(xì)化,、粗化和熔池進(jìn)行了研究。此法可以極大地提高計(jì)算效率和精度,，對(duì)于解決復(fù)雜構(gòu)件SLM過程的溫度場(chǎng)模擬問題提供了新的解決思路,。

參考文獻(xiàn)：
Duan W, Yin Y J, Zhou J X . Temperature field simulations during selective laser melting process based on fully threaded tree[J]. China Foundry, 2017, 14(5):405-411.

供稿人:趙懿臻 張航
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室