印度学者成功实现3D打印熔池形貌模拟与验证

2019-05-21 14:11

在选区激光熔化制造（SLM）过程中，高速激光作用在粉末上形成快冷快热效应，成形件易产生变形、裂纹等缺陷。成形所需构件通常需要多次试错，高昂的试错成本阻碍了SLM技术的发展。近年来研究人员致力于通过计算机数值模拟来模拟SLM过程中的温度场表现，进而分析导致构件缺陷的原因，以求降低试错成本。

印度理工学院的研究团队采用体热源模拟激光光源，忽略高温下的材料蒸发，考虑材料间的热传导传热和辐射传热，建立传热模型，并进行了Ti6Al4V粉末的SLM数值模拟实验。他们通过改变激光功率和扫描速度两个关键工艺参数来执行模拟。图1展示了到达准稳态时，在100W激光功率和500mm／s扫描速度下单道扫描的模拟温度场分布。

图1 单道扫描的模拟温度场分布

如图2所示，在激光功率100W和扫描速度500mm／s的工况下，计算熔池的重熔区与实验测得的重熔区形貌具有较高的一致性。图3展示了在较低能量密度情况下，计算所得熔池尺寸与实验测得熔池尺寸相符程度较高。

图2 计算熔池与测量熔池重熔区形貌对比

图3 计算熔池与实验测得熔池尺寸对比（a）宽度（b）深度

图4展示了扫描速度分别是100mm／s、200mm／s和300mm／s时，计算所得熔池最高温度与测量最高温度的对比。由于SLM过程中的快冷效应，高温下温度测量存在误差，在当前300K的温度差异下可以认为模拟最高温度与实际最高温度一致性较好。

图4 计算所得与测量所得熔池最高温度对比

当前，计算机数值模拟可以计算多种实验参数下SLM过程中的温度场，且具有一定的可靠性。随着计算模型的不断完善，研究人员可以根据较准确的温度场数据发现问题，调整激光功率及扫描速度等实验参数，从而减少实验，减少试错成本。

参考文献：

Ashish Kumar Mishra， Arvind Kumar， Numerical and experimental analysis of the effect of volumetric energy absorption in powder layer on thermal－fluidic transport in selective laser melting of Ti6Al4V，Optics ＆ Laser Technology， Volume 111，2019，Pages 227－239．

（作者：朱硕张航）