印度學(xué)者成功實(shí)現(xiàn)3D打印熔池形貌模擬與驗(yàn)證

供稿人:朱碩 張航

在選區(qū)激光熔化制造（SLM）過(guò)程中，高速激光作用在粉末上形成快冷快熱效應(yīng)，成形件易產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷。成形所需構(gòu)件通常需要多次試錯(cuò)，高昂的試錯(cuò)成本阻礙了SLM技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)研究人員致力于通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)模擬SLM過(guò)程中的溫度場(chǎng)表現(xiàn)，進(jìn)而分析導(dǎo)致構(gòu)件缺陷的原因，以求降低試錯(cuò)成本。

印度理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)采用體熱源模擬激光光源，忽略高溫下的材料蒸發(fā)，考慮材料間的熱傳導(dǎo)傳熱和輻射傳熱，建立傳熱模型，并進(jìn)行了Ti6Al4V粉末的SLM數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。他們通過(guò)改變激光功率和掃描速度兩個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)來(lái)執(zhí)行模擬。圖1展示了到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，在100W激光功率和500mm /s掃描速度下單道掃描的模擬溫度場(chǎng)分布。

圖1 單道掃描的模擬溫度場(chǎng)分布

如圖2所示，在激光功率100W和掃描速度500mm /s的工況下，計(jì)算熔池的重熔區(qū)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的重熔區(qū)形貌具有較高的一致性。圖3展示了在較低能量密度情況下，計(jì)算所得熔池尺寸與實(shí)驗(yàn)測(cè)得熔池尺寸相符程度較高。

圖2 計(jì)算熔池與測(cè)量熔池重熔區(qū)形貌對(duì)比

圖3 計(jì)算熔池與實(shí)驗(yàn)測(cè)得熔池尺寸對(duì)比 （a）寬度 （b）深度

圖4展示了掃描速度分別是100mm/s、200mm/s和300mm/s時(shí)，計(jì)算所得熔池最高溫度與測(cè)量最高溫度的對(duì)比。由于SLM過(guò)程中的快冷效應(yīng)，高溫下溫度測(cè)量存在誤差，在當(dāng)前300K的溫度差異下可以認(rèn)為模擬最高溫度與實(shí)際最高溫度一致性較好。

圖4 計(jì)算所得與測(cè)量所得熔池最高溫度對(duì)比

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可以計(jì)算多種實(shí)驗(yàn)參數(shù)下SLM過(guò)程中的溫度場(chǎng)，且具有一定的可靠性。隨著計(jì)算模型的不斷完善，研究人員可以根據(jù)較準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，調(diào)整激光功率及掃描速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，從而減少實(shí)驗(yàn)，減少試錯(cuò)成本。

參考文獻(xiàn)：
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.


供稿人:朱碩 張航 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室