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)膩帶來的一個挑戰(zhàn)是流動性不高，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)顧冬冬教授團隊在微觀層面上如何實現(xiàn)激光束與粉末顆粒光固耦合過程的介觀模擬。

圖：激光點和鄰近被加熱的材料

一直以來，圍繞激光和粉層的作用機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)顧冬冬教授團隊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分布顆粒堆積模型，所述三維隨機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)域組成的計算區(qū)域內(nèi)隨機填充粉末顆粒形成；
- 構(gòu)建所述三維隨機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分布顆粒堆積模型以獲取熔化流動過程。

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)顧冬冬教授團隊的技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點：

優(yōu)點一：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分布的堆垛模型，建立的隨機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)點二：構(gòu)建隨機分布堆垛模型的控制方程并建立多相流計算模型，由采用求解壓力耦合的質(zhì)量、能量、動量傳遞方程進(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，觀察到不同時刻由顆粒熔化坍塌流動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。

激光點加熱金屬粉末，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，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
延伸閱讀：
南極熊揭秘3D打印金屬粉末的制備方法金屬3D打印技術(shù)及其專用粉末的研究進(jìn)展