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和計算流體動力學(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(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算流體動力學(xué)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(hù)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(jìn)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(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(jìn)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(hù)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(jìn)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(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(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，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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