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

第一臺(tái)激光粉末床熔合 (LPBF) 機(jī)器于 20 世紀(jì) 90 年代中期進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)。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(wú)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(kāi)始了解當(dāng)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(shí)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(chēng)的熔池。

問(wèn)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(guò)模擬預(yù)測(cè)殘?jiān)�，可以�?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，避免在打印過(guò)程中出現(xiàn)殘?jiān)?/i>

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(jī)械工程系的副教授，整個(gè)學(xué)術(shù)生涯都在探索這個(gè)微型領(lǐng)域。他和其他實(shí)驗(yàn)室的研究成果有望改變金屬增材制造機(jī)器制造商設(shè)計(jì)產(chǎn)品的方式，以及原始設(shè)備制造商和大型服務(wù)機(jī)構(gòu)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)品的方式。

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

他說(shuō)：“我當(dāng)時(shí)正在使用有限元軟件模擬熔池動(dòng)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(guò)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(shí)研究增材制造的另一個(gè)方面，直到我與我們團(tuán)隊(duì)的一位教授 Jon Spangenberg 博士進(jìn)行了交談。他聽(tīng)說(shuō) Flow-3D 的一款新 CFD 軟件很不錯(cuò)，于是同意購(gòu)買(mǎi)許可證。從那時(shí)起，我們就一直在使用它�！�

浮渣：在鑄造、冶煉、焊接或 3D 打印過(guò)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(jìn)行金屬增材制造的研究論文。在最近發(fā)表的一項(xiàng)研究中，F(xiàn)low-3D 軟件在預(yù)測(cè) 3D 打印結(jié)果方面發(fā)揮了重要作用，該研究重點(diǎn)關(guān)注 LPBF 中常見(jiàn)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(biāo)記了 CAD 設(shè)計(jì)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(lái)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(guò)程中朝下表面的熔渣形成情況：面向現(xiàn)象的多物理場(chǎng)模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(wèn)題由來(lái)已久，機(jī)器制造商也一直在努力解決這些問(wèn)題。但人們可能不太了解的是“浮渣”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。浮渣長(zhǎng)期以來(lái)與熔煉、鑄造和焊接過(guò)程中熔融金屬表面形成的雜質(zhì)有關(guān)，當(dāng)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(shí)，其定義更為廣泛。

Bayat 說(shuō)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(gè) 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(zhǔn)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(wú)法將熱量從熔池中傳導(dǎo)出去，從而導(dǎo)致“類(lèi)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(duì)于使用金屬增材制造承重部件的制造商來(lái)說(shuō)，也許最重要的是機(jī)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(lái)源：Amal Charles、Mohamad Bayat 等人。

團(tuán)隊(duì)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(shí)魯汶的工廠材料和工藝開(kāi)發(fā)工程經(jīng)理 Lore Thijs 博士的貢獻(xiàn)。所有人都參與了這項(xiàng)工作，但 Thijs 和 3D Systems 才是該項(xiàng)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(jī)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(dān)任 PAM 2的董事會(huì)成員，并在該項(xiàng)目的啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用�！�

Thijs 的參與并不令人意外，因?yàn)榫�確、可預(yù)測(cè)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(zhǔn)。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(duì)構(gòu)建支撐的需求，從而降低制造成本。

通過(guò)模擬確認(rèn)結(jié)果

Bayat 及其團(tuán)隊(duì)在研究項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)了帳篷形測(cè)試部件，這些部件直徑約為一英寸，由 23 級(jí) Ti6Al4V 鈦合金制成。這些部件使用 3D Systems 的 3DXpert 構(gòu)建軟件進(jìn)行預(yù)處理，然后傳輸?shù)皆摴�司的一臺(tái) ProX DMP 320 直接金屬 3D 打印機(jī)上。除了朝下的區(qū)域外，使用了標(biāo)準(zhǔn)打印參數(shù)，朝下的區(qū)域應(yīng)用了不同級(jí)別的激光功率，包括“高能”模式以確保形成浮渣。然后對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行清潔、切割和拋光，然后用光學(xué)和掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢查。

實(shí)物測(cè)試樣品中發(fā)現(xiàn)的鎖孔、孔隙和不準(zhǔn)確性與 Flow-3D AM 先前預(yù)測(cè)的相似，驗(yàn)證了虛擬模型中使用的輸入?yún)��?shù)是正確的。Bayat 表示：“高級(jí)模擬幫助我們發(fā)現(xiàn)了這些懸垂缺陷背后的潛在機(jī)制，現(xiàn)在我們已經(jīng)將兩者關(guān)聯(lián)起來(lái)，我們可以尋找糾正它們的方法。最終目標(biāo)是在構(gòu)建過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，盡管這需要額外的工作�！�

△CFD模型預(yù)測(cè)的軌道形態(tài)溫度輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。來(lái)源：Amal Charles、Mohamad Bayat 等人。

在該技術(shù)問(wèn)世之前，Bayat 發(fā)現(xiàn)對(duì)預(yù)編程激光路徑進(jìn)行調(diào)整可以帶來(lái)顯著的好處。正如論文中指出的那樣，每個(gè)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(dòng)時(shí)，激光功率保持關(guān)閉的掃描策略（即所謂的空中直寫(xiě)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(jìn)一步研究參數(shù)優(yōu)化和開(kāi)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(tuán)隊(duì)正在使用先進(jìn)的模擬來(lái)驗(yàn)證其他增材制造實(shí)驗(yàn)。他們?cè)缙诘囊黄�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(dòng)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(qiáng)和“功能分級(jí)”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(dāng)兩種流體界面上存在表面張力梯度時(shí)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(cè)量結(jié)果“非常吻合”。更重要的是，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(shuō)：“我們最近申請(qǐng)了一個(gè)名為 Lunar Print 的項(xiàng)目的資金。我們實(shí)際上已經(jīng)成功使用類(lèi)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?cè)谶@里的大多數(shù)工作一樣，F(xiàn)low-3D AM 將在驗(yàn)證和指導(dǎo)我們的實(shí)驗(yàn)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用�！�