《Acta Materialia》：激光選區(qū)熔化金屬3D打印，飛濺與剝蝕的數值模擬

南極熊導讀：激光選區(qū)熔化（SLM）是基于金屬粉末床逐層熔融、堆積與成形的一種增材制造技術。SLM可以制造高致密度且具有復雜精細幾何結構的金屬零件，相關制品已在生物醫(yī)療、航空航天、模具制造等領域獲得相關應用，是金屬增材制造領域的前沿技術。但是SLM成形過程中，存在嚴重的粉末飛濺與剝蝕現(xiàn)象，容易加重孔隙、裂紋、球化等成形缺陷，進而降低零件性能，成為制約SLM應用與發(fā)展的瓶頸之一。

飛濺與剝蝕是目前SLM研究中的熱點與難點。通過高速/高倍光學攝像、X攝像同步輻射成像等實驗手段，可以在粉末顆粒尺度對飛濺與剝蝕現(xiàn)象進行觀測。但是，飛濺與剝蝕過程的流場形成、溫度演變、壓力分布等關鍵信息仍難以直接捕捉，因此，僅僅依靠實驗手段難以直接剖析SLM飛濺與剝蝕行為的內在物理學機制?，F(xiàn)有針對SLM粉末床熔融的數值仿真模型中，只能將離散的粉末床簡化為“固定的粉末床”，無法實現(xiàn)激光掃描過程中粉末顆粒飛濺與剝蝕行為的計算和預測。

南極熊3D打印網注意到，近期，《Acta Materialia》報道了題為“Spattering and denudation in laser powder bed fusion process: multiphase flow modelling”的研究。該研究將多相流耦合理論用于SLM熔融過程的建模，考慮了激光掃描過程中粉末床的離散可運動特性，并考慮了流場（熔池金屬蒸發(fā)氣體、保護氣體）對粉末顆粒的熱力驅動作用，實現(xiàn)了SLM粉末床飛濺與剝蝕行為的計算與模擬。研究論文由陳輝（蘇州工業(yè)園新國大研究院副研究員）及合作導師閆文韜（新加坡國立大學Assistant Professor）發(fā)表。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645420304687

該研究首先計算了SLM激光掃描過程中，掃描道周圍粉末顆粒的剝蝕運動與飛濺運動，結合光學攝像等實驗觀測結果對模型進行了校對。通過周圍流場演變的計算，揭示了熔池金屬噴發(fā)氣體帶動周圍氣體形成內向渦流，進而驅動粉顆粒形成吸卷與噴射，由此導致剝蝕與飛濺的物理過程。其次，計算了氣體熱膨脹導致的流場變化與粉末溫度變化過程，并由此排除了實驗分析中氣體熱膨脹引起剝蝕與飛濺的假設。最后，計算了不同金屬蒸汽噴射角狀態(tài)下的剝蝕與飛濺過程，對如何削弱SLM剝蝕與飛濺行為進行了探討。該文為SLM飛濺與剝蝕的研究提供了一種數值模擬建模思路與方案，有助于深入了解飛濺與剝蝕行為的內在物理學機制，并進行相關改善以提升SLM成形性能。

1）SLM粉末床飛濺與剝蝕行為的實驗觀測。飛濺與剝蝕將破壞粉末床原有的堆積形態(tài)，降低熔化道質量，甚至破壞成形過程。

圖 基于高倍/高速光學攝像機的SLM飛濺與剝蝕觀測（Acta Materialia, 2018, 142:107）。

2）現(xiàn)有的多道、多層SLM粉末床熔融數值模型。將粉末床簡化為固定的幾何結構，無法計算粉末的飛濺與剝蝕行為。

圖 單道/多道/多層粉末床熔融過程數值模擬（Acta Materialia, 2016, 108:36；Acta Materialia, 2017, 137:324）。

3）該研究報道的SLM飛濺與剝蝕行為數值模擬（Acta Materialia, 2020, 196:154）。

圖 SLM粉末床飛濺與剝蝕行為數值模擬。

金屬氣體從熔池蒸發(fā)、噴射，帶動環(huán)境氣體形成內向渦流，從而驅動粉末顆粒形成剝蝕與飛濺運動。

圖 SLM熔池金屬氣體的噴射及粉末熱力驅動過程。

激光加熱引發(fā)氣體熱膨脹并流動，引起環(huán)境氣體和粉末顆粒的溫度變化，但不足以驅動粉末形成剝蝕或飛濺。

圖 氣體熱膨脹引起的粉末顆粒溫度及速度演變。

金屬氣體噴射角過大，將直接破作用在粉末顆粒上，破壞粉末床及成形過程。

圖 不同熔池金屬氣體噴射角的飛濺與剝蝕行為。

研究人員簡介：
陳輝，蘇州工業(yè)園新國大研究院 副研究員，新加坡國立大學 機械工程系 Research Fellow。2016年獲得中南大學工學博士學位，2016-2018年在華中科技大學完成博士后研究。目前從事激光選區(qū)熔化（增材制造）工藝數值模擬、在線監(jiān)測實驗等研究工作,在Acta Materialia、I J Machine Tools & Manufacture等期刊發(fā)表學術論文10余篇。

閆文韜，新加坡國立大學 機械工程系 Assistant Professor。2012年獲得清華大學工學學士學位，2017年獲得美國西北大學與清華大學聯(lián)合培養(yǎng)博士學位，2018年在西北大學機械工程系完成博士后研究，并加入新加坡國立大學機械系。目前從事金屬增材制造（如電子束選區(qū)熔化，激光選區(qū)熔化）中的多尺度數值模擬、實驗驗證和數據分析等研究工作,在Acta Materialia、Nature Communications、I J Machine Tools & Manufacture、Computational Mechanics等期刊發(fā)表學術論文30余篇。