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,，當粉末鋪得比較厚,，激光掃描速度增加的時候，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)熔化制備機理并為相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導,。本期,，仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件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參數(shù)對打印熔池及單道熔覆層的影響,，該仿真過程的實現(xiàn)可以更直觀的研究激光選區(qū)熔化制備機理并為相關(guān)工藝參數(shù)優(yōu)化提供指導。

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)金屬熔體的流動過程,，相應工藝條件下熔池的形態(tài)及最終熔覆層的特性進行研究可以深入理解SLM制備機理，并可對SLM制備工藝設(shè)計和優(yōu)化提供指導,。離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進行模擬,，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算流體動力學分析實現(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)的金屬會產(chǎn)生流動,，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區(qū)域：基板（或已成形區(qū)域）,、粉末層和保護氣氛；粉末特性（球形度,、粒度分布,、流動性等參數(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行分析,。

實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行了仿真分析,，模擬在Rocky中進行，包含有粉末床層的單道熔池計算域模型的建立過程如圖1所示：

圖1：單道熔池計算域模型的建立過程,，來源安世亞太

網(wǎng)格處理及初始化

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

圖2：計算域內(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（本文計算為316L合金）,，其余部位為保護氣體,，各相在計算域中的存在狀態(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行了分析）,。

圖3：初始各相在計算域中的存在狀態(tài),，來源安世亞太

（紅色為金屬基板及粉末區(qū)域，藍色為保護氣體區(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,，通過與物理實驗相結(jié)合,，仿真計算可以對激光選區(qū)熔化激光與粉末的相互作用，單道熔池內(nèi)金屬熔體的流動過程,，相應工藝條件下熔池的形態(tài)及最終熔覆層的特性進行研究,，可以深入理解SLM制備機理，并可對SLM打印機制備工藝設(shè)計和優(yōu)化提供指導,，縮短相應的研發(fā)和工藝優(yōu)化流程,。


謝琰軍：

材料物理與化學專業(yè)，博士學位,，多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗,，參與并實施多項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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