《Acta Materialia》：激光選區(qū)熔化金屬3D打印，飛濺與剝蝕的數(shù)值模擬

南極熊導(dǎo)讀：激光選區(qū)熔化（SLM）是基于金屬粉末床逐層熔融、堆積與成形的一種增材制造技術(shù)。SLM可以制造高致密度且具有復(fù)雜精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)的金屬零件，相關(guān)制品已在生物醫(yī)療、航空航天、模具制造等領(lǐng)域獲得相關(guān)應(yīng)用，是金屬增材制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)。但是SLM成形過程中，存在嚴(yán)重的粉末飛濺與剝蝕現(xiàn)象，容易加重孔隙、裂紋、球化等成形缺陷，進(jìn)而降低零件性能，成為制約SLM應(yīng)用與發(fā)展的瓶頸之一。

飛濺與剝蝕是目前SLM研究中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。通過高速/高倍光學(xué)攝像、X攝像同步輻射成像等實(shí)驗(yàn)手段，可以在粉末顆粒尺度對(duì)飛濺與剝蝕現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)。但是，飛濺與剝蝕過程的流場(chǎng)形成、溫度演變、壓力分布等關(guān)鍵信息仍難以直接捕捉，因此，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)手段難以直接剖析SLM飛濺與剝蝕行為的內(nèi)在物理學(xué)機(jī)制�，F(xiàn)有針對(duì)SLM粉末床熔融的數(shù)值仿真模型中，只能將離散的粉末床簡(jiǎn)化為“固定的粉末床”，無法實(shí)現(xiàn)激光掃描過程中粉末顆粒飛濺與剝蝕行為的計(jì)算和預(yù)測(cè)。

南極熊3D打印網(wǎng)注意到，近期，《Acta Materialia》報(bào)道了題為“Spattering and denudation in laser powder bed fusion process: multiphase flow modelling”的研究。該研究將多相流耦合理論用于SLM熔融過程的建模，考慮了激光掃描過程中粉末床的離散可運(yùn)動(dòng)特性，并考慮了流場(chǎng)（熔池金屬蒸發(fā)氣體、保護(hù)氣體）對(duì)粉末顆粒的熱力驅(qū)動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)了SLM粉末床飛濺與剝蝕行為的計(jì)算與模擬。研究論文由陳輝（蘇州工業(yè)園新國(guó)大研究院副研究員）及合作導(dǎo)師閆文韜（新加坡國(guó)立大學(xué)Assistant Professor）發(fā)表。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645420304687

該研究首先計(jì)算了SLM激光掃描過程中，掃描道周圍粉末顆粒的剝蝕運(yùn)動(dòng)與飛濺運(yùn)動(dòng)，結(jié)合光學(xué)攝像等實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了校對(duì)。通過周圍流場(chǎng)演變的計(jì)算，揭示了熔池金屬噴發(fā)氣體帶動(dòng)周圍氣體形成內(nèi)向渦流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)粉顆粒形成吸卷與噴射，由此導(dǎo)致剝蝕與飛濺的物理過程。其次，計(jì)算了氣體熱膨脹導(dǎo)致的流場(chǎng)變化與粉末溫度變化過程，并由此排除了實(shí)驗(yàn)分析中氣體熱膨脹引起剝蝕與飛濺的假設(shè)。最后，計(jì)算了不同金屬蒸汽噴射角狀態(tài)下的剝蝕與飛濺過程，對(duì)如何削弱SLM剝蝕與飛濺行為進(jìn)行了探討。該文為SLM飛濺與剝蝕的研究提供了一種數(shù)值模擬建模思路與方案，有助于深入了解飛濺與剝蝕行為的內(nèi)在物理學(xué)機(jī)制，并進(jìn)行相關(guān)改善以提升SLM成形性能。

1）SLM粉末床飛濺與剝蝕行為的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。飛濺與剝蝕將破壞粉末床原有的堆積形態(tài)，降低熔化道質(zhì)量，甚至破壞成形過程。

圖 基于高倍/高速光學(xué)攝像機(jī)的SLM飛濺與剝蝕觀測(cè)（Acta Materialia, 2018, 142:107）。

2）現(xiàn)有的多道、多層SLM粉末床熔融數(shù)值模型。將粉末床簡(jiǎn)化為固定的幾何結(jié)構(gòu)，無法計(jì)算粉末的飛濺與剝蝕行為。

圖 單道/多道/多層粉末床熔融過程數(shù)值模擬（Acta Materialia, 2016, 108:36；Acta Materialia, 2017, 137:324）。

3）該研究報(bào)道的SLM飛濺與剝蝕行為數(shù)值模擬（Acta Materialia, 2020, 196:154）。

圖 SLM粉末床飛濺與剝蝕行為數(shù)值模擬。

金屬氣體從熔池蒸發(fā)、噴射，帶動(dòng)環(huán)境氣體形成內(nèi)向渦流，從而驅(qū)動(dòng)粉末顆粒形成剝蝕與飛濺運(yùn)動(dòng)。

圖 SLM熔池金屬氣體的噴射及粉末熱力驅(qū)動(dòng)過程。

激光加熱引發(fā)氣體熱膨脹并流動(dòng)，引起環(huán)境氣體和粉末顆粒的溫度變化，但不足以驅(qū)動(dòng)粉末形成剝蝕或飛濺。

圖 氣體熱膨脹引起的粉末顆粒溫度及速度演變。

金屬氣體噴射角過大，將直接破作用在粉末顆粒上，破壞粉末床及成形過程。

圖 不同熔池金屬氣體噴射角的飛濺與剝蝕行為。

研究人員簡(jiǎn)介：
陳輝，蘇州工業(yè)園新國(guó)大研究院 副研究員，新加坡國(guó)立大學(xué) 機(jī)械工程系 Research Fellow。2016年獲得中南大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位，2016-2018年在華中科技大學(xué)完成博士后研究。目前從事激光選區(qū)熔化（增材制造）工藝數(shù)值模擬、在線監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)等研究工作,在Acta Materialia、I J Machine Tools & Manufacture等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。

閆文韜，新加坡國(guó)立大學(xué) 機(jī)械工程系 Assistant Professor。2012年獲得清華大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2017年獲得美國(guó)西北大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，2018年在西北大學(xué)機(jī)械工程系完成博士后研究，并加入新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械系。目前從事金屬增材制造（如電子束選區(qū)熔化，激光選區(qū)熔化）中的多尺度數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析等研究工作,在Acta Materialia、Nature Communications、I J Machine Tools & Manufacture、Computational Mechanics等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇。