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印度学者成功实现3D打印熔池形貌模拟与验证

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。

印度学者成功实现3D打印熔池形貌模拟与验证

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。

印度学者成功实现3D打印熔池形貌模拟与验证

图2 计算熔池与测量熔池重熔区形貌对比

印度学者成功实现3D打印熔池形貌模拟与验证

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。

印度学者成功实现3D打印熔池形貌模拟与验证

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.

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