金屬3D打印研究：使用離散元素方法研究粉末擴散

來源： 廣西增材制造協(xié)會

在最近發(fā)表的“增材層制造中粉末擴散的DEM研究”中，作者Yahia M. Fouda和Andrew E. Bayly進行了離散元素方法模擬，以研究使用鈦合金（Ti6AlV4）顆粒的增材制造應(yīng)用。

在討論諸如電子束熔化（EBM）和選擇性激光熔化（SLM）之類的粉末床融合AM技術(shù)時，這些技術(shù)包括在封閉腔室中的基板上沉積一層薄粉末，為復(fù)雜的幾何形狀提供了潛力和高性能零件-通常用于醫(yī)療，牙科和航空航天應(yīng)用。 Fouda和Bayly也進一步研究了增材制造過程的實際物理原理，采用離散元素方法（DEM）來幫助他們研究粉末流動動力學(xué)和粉末散布。

DEM使研究人員可以跟蹤使用的每個粒子，并計算粒子相互作用的方式，與其幾何形狀的聯(lián)系，還可以“解決每個粒子與粒子和粒子與壁的接觸事件。這些類型的模擬創(chuàng)建的數(shù)據(jù)指示：

• 空間位置
• 線速度和角速度
• 施加的力和扭矩
  

所有這些都被用作“時間的函數(shù)”，從而導(dǎo)致重要的定量結(jié)果。研究人員使用商用DEM軟件EDEM®進行了仿真，研究人員使用“ Hertz-Mindlin（無滑移）”模型可靠地計算了粒子之間的相互作用。

材料屬性和DEM輸入?yún)?shù)

該系統(tǒng)包括一個分布器葉片，堆和水平構(gòu)建表面，盡管作者指出，分布系統(tǒng)中的主要細節(jié)之一是分布器葉片和構(gòu)建表面之間的垂直間隙：

該間隙控制著沉積的粉末層的厚度，該厚度對應(yīng)于3D打印組件的分辨率。在本文進行的整個仿真過程中，該間隙在100至300 μm之間變化。它覆蓋了典型的電子束熔化（EBM）機的大多數(shù)層厚度范圍，介于50至200 μm之間，并且有望成為葉片與待涂覆的熔化表面之間的間隙的典型特征（其本身由填充分數(shù)決定）沉積層），”作者說。

作者選擇了模擬機制，因為他們努力顯示3D打印機或工業(yè)AM硬件的“縱向切片”。

“模擬對水平y(tǒng)方向采用周期性邊界，這意味著在y方向上的最終影響可以忽略不計。通過在水平x方向上考慮使用12 mm的長度，并監(jiān)視了10 mm的有效長度以進行層沉積分析，可以進一步減少仿真范圍?！?br />
他們研究了粉末鋪展的內(nèi)在行為，以及當改變縫隙厚度和鋪展速度時發(fā)生的情況。

散布過程中不同時間的粉末運動快照

0.0秒b 0.01秒c 0.02秒d 0.03秒。 e 0.09秒。 f 0.122秒。 vw = 100毫米/秒，δ= 4d

擴散器前面每個子層中的粒子x速度隨時間變化，vw = 100 mm / s，δ= 4d

然后，作者還開始探索工藝參數(shù)（涉及粉末，機器和工藝特性），間隙厚度和撒布速度的影響。

鋪展速度對最終填充率δ= 4d的影響

總體而言，與初始堆相比，三種機制導(dǎo)致的填充摩擦小得多：

第一個機制–初始剪切誘導(dǎo)的膨脹
第二種機制–間隙區(qū)域中的同化粉膨脹和重新排列
第三種機理–質(zhì)量守恒和顆粒不再在粉末層中移動

研究表明，改變縫隙厚度或撒布速度可以通過抑制或促進這些機理中的一種或多種來控制最終的填充率。研究人員總結(jié)說：“最終的層填充率隨著間隙厚度的增加而增加，而隨著撒布速度的降低而減小。“間隙中產(chǎn)生的速度分布直接影響最終的層堆積率，該區(qū)域的平均速度決定了最終的層堆積率?！?br />
“這項理想化研究中提出的分析可以幫助創(chuàng)建一個框架，以嚴格研究和優(yōu)化AM中粉末散布的過程。它可以用來了解顆粒性質(zhì)的作用，例如粒度分布，形態(tài)和內(nèi)聚性，以及它們與工藝參數(shù)的相互作用?！?br />
如今，金屬粉末一直是許多研究的主題，特別是隨著世界各地的制造商努力利用它的力量，由于涉及改進的合金、貴金屬、嵌入式電子產(chǎn)品等的研究，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸确浅８叩母咝阅芰慵?br />