國內(nèi)激光束與粉末顆粒光固耦合過程的模擬方法

金屬3D打印機(jī)火了之后，金屬3D打印粉末材料也跟著開始火了，南極熊之前報(bào)道，市場研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金屬粉末市場達(dá)到了2.5億美金，高于預(yù)測。而3D打印金屬粉末市場將保持高增長的態(tài)勢，IDTechEx預(yù)測到2025年達(dá)到50億美金的市場規(guī)模，年復(fù)合增長率39.5%。關(guān)于粉末顆粒的大小、球形度與流動(dòng)性，有一種形象的比喻，像面粉一樣，當(dāng)粉末越均勻，細(xì)膩的時(shí)候，加工出來的金屬產(chǎn)品的表面質(zhì)量通常越高，但粉末越細(xì)膩帶來的一個(gè)挑戰(zhàn)是流動(dòng)性不高，容易發(fā)生“燒糊”了的現(xiàn)象。南極熊之前對3D打印金屬粉末制備技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析——南極熊揭秘3D打印金屬粉末的制備方法

如何通過算法從顆粒尺度模擬粉層的凝固熔化、傳熱傳質(zhì)過程，而不是憑著經(jīng)驗(yàn)來判斷加工參數(shù)應(yīng)該如何設(shè)置？本期3D科學(xué)谷與谷友一起來學(xué)習(xí)南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)在微觀層面上如何實(shí)現(xiàn)激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬。

圖：激光點(diǎn)和鄰近被加熱的材料

一直以來，圍繞激光和粉層的作用機(jī)理和過程控制的研究并不多見，雖然許多關(guān)于熔池的模擬也取得了一定的研究成果，但市場上的研究大多集中在溫度場和應(yīng)力場的模擬，是通過改變加工參數(shù)來觀察溫度場和應(yīng)力場的變化，從而分析預(yù)測不同加工參數(shù)對成形件最終質(zhì)量的影響，并且建立的模型都是宏觀層面的。這些研究將粉層視為連續(xù)均勻的介質(zhì)，即相當(dāng)于把粉末層視為塊體，并未考慮粉末顆粒堆垛的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的影響。

現(xiàn)實(shí)中，由于粉末顆粒之間存在大量的孔隙，因而粉體對激光的吸收不同于塊體，空隙對激光的吸收類似于黑體，激光經(jīng)過穿透和反射可以進(jìn)入粉層更深處，這就大大提高了材料對激光的吸收率。并且，粉末顆粒的外表面多為球體或者其他不規(guī)則多面體，大大增加了表面積，也提高了粉層表面的受光面積，這也與塊體材料所不同。所以從顆粒尺度模擬粉層的凝固熔化、傳熱傳質(zhì)過程是有必要的。

南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)針對上述市場上技術(shù)的不足，提供了激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬方法�？紤]到粉末顆粒堆垛結(jié)構(gòu)對激光吸收率的影響，在介觀尺度下模擬粉末顆粒與激光耦合的過程，對耦合過程的溫度進(jìn)行數(shù)值模擬以記錄粉末顆粒熔化過程，無需改變加工參數(shù)后觀察溫度場和的變化，解決了現(xiàn)有技術(shù)在宏觀層面建立熔池模型且未考慮粉末顆粒堆垛結(jié)構(gòu)對光固耦合過程的影響的技術(shù)問題。

包括如下步驟：
- 在介觀尺度下建立粉床的三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型，所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型通過向介觀尺度下粉床部分及其上方空氣區(qū)域組成的計(jì)算區(qū)域內(nèi)隨機(jī)填充粉末顆粒形成；
- 構(gòu)建所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型的控制方程；
- 采用多相流算法在控制方程約束下解算所述三維隨機(jī)分布顆粒堆積模型以獲取熔化流動(dòng)過程。

圖：介觀尺度的粉床模型原理圖，來源南京航空航天大學(xué)

圖：純AlSi10Mg顆粒模型網(wǎng)格劃分圖，來源南京航空航天大學(xué)

圖：AlSi10Mg+TiC增強(qiáng)相復(fù)合材料模型網(wǎng)格劃分圖，來源南京航空航天大學(xué)

圖：AlSi10Mg顆粒與激光耦合過程溫度分布云圖，來源南京航空航天大學(xué)

圖：AlSi10Mg顆粒受激光輻射熔化過程動(dòng)態(tài)演變截面圖，來源南京航空航天大學(xué)

圖：顆粒在激光輻射下燒結(jié)頸形成的過程演變圖，來源南京航空航天大學(xué)

南京航空航天大學(xué)顧冬冬教授團(tuán)隊(duì)的技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)一：考慮了粉層中不同材料顆粒的大小，顆粒間隙中氣相的存在等因素，不再將粉塵視為連續(xù)性均勻介質(zhì)，從介觀尺度采用離散元法生成三維空間顆粒隨機(jī)分布的堆垛模型，建立的隨機(jī)分布堆垛模型更加接近粉末顆粒的物理模型，為模擬激光束與粉末顆粒光固耦合提供了基礎(chǔ)；

優(yōu)點(diǎn)二：構(gòu)建隨機(jī)分布堆垛模型的控制方程并建立多相流計(jì)算模型，由采用求解壓力耦合的質(zhì)量、能量、動(dòng)量傳遞方程進(jìn)行迭代求解光固耦合過程中的溫度；

優(yōu)點(diǎn)三：通過對光固耦合溫度的數(shù)值模擬得到粉塵顆粒熔化記錄，觀察到不同時(shí)刻由顆粒熔化坍塌流動(dòng)形成三維熔池的具體過程，獲得了沿著某一橫截面和縱截面的溫度分布圖、速度矢量圖以及燒結(jié)頸形成圖，并可根據(jù)模擬結(jié)果初步預(yù)測出燒結(jié)成形件的致密度和孔隙有可能出現(xiàn)的位置。

激光點(diǎn)加熱金屬粉末，每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個(gè)微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個(gè)微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。南京航空航天大學(xué)的研究對現(xiàn)有技術(shù)做出的貢獻(xiàn)在于可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，從而使高質(zhì)量的制造更加具有一致性，可控性和可追溯性。

來源：3D科學(xué)谷
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