研究人員利用先進CFD工具模擬熔池形態(tài),，解決LPBF浮渣處理難題

第一臺激光粉末床熔合 (LPBF) 機器于 20 世紀 90 年代中期進入商業(yè)市場,。它們迅速為制造業(yè)的革命鋪平了道路，近三十年后,，它改變了我們生產(chǎn)無數(shù)金屬部件的方式,，從燃料噴嘴和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)到渦輪葉片和熱交換器。

然而,，直到最近,，研究人員才開始了解當直徑僅有一根頭發(fā)絲大小的激光束撞擊微小的金屬粉末時發(fā)生的復(fù)雜物理現(xiàn)象，瞬間將其溫度升高到幾千華氏度,，形成增材制造 (AM) 行業(yè)所稱的熔池,。

問題：激光粉末床熔合 (LPBF) 中的下表面上形成浮渣

早期解決方案：研究結(jié)果表明，調(diào)整激光路徑可以減少熔渣形成和密度

下一步：通過模擬預(yù)測殘渣,，可以實現(xiàn)實時調(diào)整,，避免在打印過程中出現(xiàn)殘渣

Mohamad Bayat 博士就是其中一位研究人員。他是丹麥技術(shù)大學(xué) (DTU)機械工程系的副教授,，整個學(xué)術(shù)生涯都在探索這個微型領(lǐng)域,。他和其他實驗室的研究成果有望改變金屬增材制造機器制造商設(shè)計產(chǎn)品的方式，以及原始設(shè)備制造商和大型服務(wù)機構(gòu)運營產(chǎn)品的方式,。

Bayat 用于模擬這些復(fù)雜過程的主要工具是Flow-3D AM,，這是 FlowScience Inc. 推出的先進計算流體動力學(xué) (CFD) 軟件平臺，專為模擬金屬和聚合物 3D 打印過程而設(shè)計,。

他說：“我當時正在使用有限元軟件模擬熔池動力學(xué),，以完成我的博士論文，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在液滴撞擊過程中,，顆粒質(zhì)量不知何故有所損失,。我陷入了困境,，甚至考慮攻讀博士學(xué)位時研究增材制造的另一個方面，直到我與我們團隊的一位教授 Jon Spangenberg 博士進行了交談,。他聽說 Flow-3D 的一款新 CFD 軟件很不錯,，于是同意購買許可證。從那時起,，我們就一直在使用它,。”

浮渣：在鑄造,、冶煉,、焊接或 3D 打印過程中，在熔融金屬表面形成的不需要的物質(zhì)區(qū)域

那是在 2018 年,，此后Bayat 發(fā)表了多篇關(guān)于使用 CFD 進行金屬增材制造的研究論文,。在最近發(fā)表的一項研究中，F(xiàn)low-3D 軟件在預(yù)測 3D 打印結(jié)果方面發(fā)揮了重要作用,，該研究重點關(guān)注 LPBF 中常見的一種現(xiàn)象：浮渣,。

△顯微照片顯示零件朝下區(qū)域的熔渣，在這張顯微照片中,，紅線標記了 CAD 設(shè)計的邊界——其左側(cè)的所有材料都是渣滓,，即朝下表面上的多余材料。來源：AmalCharles,、Mohamad Bayat 等人,。

LPBF 中的熔渣形成

Bayat在其論文“闡明激光粉末床熔合過程中朝下表面的熔渣形成情況：面向現(xiàn)象的多物理場模擬和實驗驗證/ Elucidation of drossformation in laser powder bed fusion at down-facing surfaces:Phenomenon-oriented multiphysics simulation and experimental validation”中探討了熔渣形成的原因以及模擬和實驗結(jié)果之間的相關(guān)性。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102551

金屬增材制造領(lǐng)域中,，與向下表面相關(guān)的問題由來已久,，機器制造商也一直在努力解決這些問題。但人們可能不太了解的是“浮渣”這個術(shù)語,。浮渣長期以來與熔煉,、鑄造和焊接過程中熔融金屬表面形成的雜質(zhì)有關(guān)，當應(yīng)用于 LPBF,、定向能量沉積 (DED) 和某些其他高能粉末金屬增材制造技術(shù)時,，其定義更為廣泛。

Bayat 說道：“可以將熔渣想象成任何不符合朝下表面預(yù)期幾何形狀的材料,。例如,，如果我嘗試以 30 度角打印一個 3 毫米厚的部件特征，但最終得到的部件厚度只有 5 毫米,，那么這種不準確性很可能是由熔渣造成的,。可以將其想象成懸掛在懸垂結(jié)構(gòu)底部的凍結(jié)材料滴,�,！�

正如 Bayat 的論文所述,，熔渣的形成主要是由于松散粉末的熱導(dǎo)率低以及隨后無法將熱量從熔池中傳導(dǎo)出去，從而導(dǎo)致“類似鑰匙孔的熔化模式,，從而產(chǎn)生明顯的鉆孔效應(yīng),。結(jié)果呢？尺寸變化,、表面粗糙度高,，對于使用金屬增材制造承重部件的制造商來說,，也許最重要的是機械性能下降和孔隙率等缺陷,。

△橫截面圖顯示了面朝下的表面上由熔渣引起的孔隙。來源：Amal Charles,、Mohamad Bayat 等人,。

團隊協(xié)作

Bayat 的研究得到了幫助。論文中提到了前導(dǎo)師 Jesper Hattel 博士,、卡爾斯魯厄理工學(xué)院的幾位同事以及3D SystemsCorp.位于比利時魯汶的工廠材料和工藝開發(fā)工程經(jīng)理 Lore Thijs 博士的貢獻,。所有人都參與了這項工作，但 Thijs 和 3D Systems 才是該項目的工業(yè)合作伙伴,。

Bayat 解釋道：“在攻讀博士學(xué)位期間,，我曾是歐盟研究機構(gòu)PAM²的成員，PAM² 代表精密增材金屬制造,。Lore 在魯汶大學(xué)就讀期間是該領(lǐng)域的先驅(qū),，并發(fā)表了首批關(guān)于選擇性激光熔化生產(chǎn)的金屬部件微觀結(jié)構(gòu)的論文之一。她目前擔任 PAM 2的董事會成員,，并在該項目的啟動過程中發(fā)揮了重要作用,。”

Thijs 的參與并不令人意外,，因為精確,、可預(yù)測地打印傾斜、近水平的表面仍然是衡量許多金屬增材制造系統(tǒng)的基準,。那些能夠控制浮渣形成的系統(tǒng)不僅可以生產(chǎn)出更高質(zhì)量的部件,，還可以減少甚至消除對構(gòu)建支撐的需求，從而降低制造成本,。

通過模擬確認結(jié)果

Bayat 及其團隊在研究項目開始時設(shè)計了帳篷形測試部件,，這些部件直徑約為一英寸，由 23 級 Ti6Al4V 鈦合金制成,。這些部件使用 3D Systems 的 3DXpert 構(gòu)建軟件進行預(yù)處理,，然后傳輸?shù)皆摴�司的一臺 ProX DMP 320 直接金屬 3D 打印機上。除了朝下的區(qū)域外,，使用了標準打印參數(shù),，朝下的區(qū)域應(yīng)用了不同級別的激光功率,，包括“高能”模式以確保形成浮渣。然后對測試樣品進行清潔,、切割和拋光,，然后用光學(xué)和掃描電子顯微鏡進行檢查。

實物測試樣品中發(fā)現(xiàn)的鎖孔,、孔隙和不準確性與 Flow-3D AM 先前預(yù)測的相似,，驗證了虛擬模型中使用的輸入?yún)��?shù)是正確的。Bayat 表示：“高級模擬幫助我們發(fā)現(xiàn)了這些懸垂缺陷背后的潛在機制,，現(xiàn)在我們已經(jīng)將兩者關(guān)聯(lián)起來,，我們可以尋找糾正它們的方法。最終目標是在構(gòu)建過程中根據(jù)現(xiàn)場反饋進行實時調(diào)整,，盡管這需要額外的工作,。”

△CFD模型預(yù)測的軌道形態(tài)溫度輪廓與實驗結(jié)果的對比,。來源：Amal Charles,、Mohamad Bayat 等人。

在該技術(shù)問世之前,，Bayat 發(fā)現(xiàn)對預(yù)編程激光路徑進行調(diào)整可以帶來顯著的好處,。正如論文中指出的那樣，每個掃描矢量末端的激光減速是造成鎖孔效應(yīng)的主要原因,，“在相鄰激光掃描之間移動時,，激光功率保持關(guān)閉的掃描策略（即所謂的空中直寫激光路徑模式）更有利于減少熔渣形成并提高密度。因此,，需要進一步研究參數(shù)優(yōu)化和開發(fā)面向下方區(qū)域的新型掃描策略,。”

拓展研究

Bayat 和 DTU 的團隊正在使用先進的模擬來驗證其他增材制造實驗,。他們早期的一篇題為“Onthe role of the powder stream on the heat and fluid flow conditions duringDirected Energy Deposition of maraging steel—Multiphysics modeling andexperimental validation”論文討論了粉末流速度如何影響 DED 中的熱量和流體流動條件,，DED 是一種金屬 AM 技術(shù)，廣泛用于零件修復(fù),、表面增強和“功能分級”夾層金屬的生產(chǎn),。

在這里，用 Flow-3D AM 構(gòu)建的模型有助于解釋各種物理現(xiàn)象,，例如凝固,、蒸發(fā)和馬蘭戈尼效應(yīng)，后者被描述為當兩種流體界面上存在表面張力梯度時發(fā)生的物理現(xiàn)象,。使用熱像儀和光學(xué)顯微鏡,，DTU 研究人員表明模擬結(jié)果與物理測量結(jié)果“非常吻合”。更重要的是，該團隊發(fā)現(xiàn),，通過增加粒子速度,，他們可以將 3D 打印軌道的高寬比提高一倍以上，這一發(fā)現(xiàn)可能具有一些超凡脫俗的應(yīng)用,。

他說：“我們最近申請了一個名為 Lunar Print 的項目的資金,。我們實際上已經(jīng)成功使用類似 DED 的工藝打印了七八層月球沙。如果成功,，宇航員就可以用手頭的原材料 3D 打印月球棲息地,。與我們在這里的大多數(shù)工作一樣，F(xiàn)low-3D AM 將在驗證和指導(dǎo)我們的實驗方面發(fā)揮關(guān)鍵作用,�,！�