【CAE踏浪寻珍】增材制造之激光粉床融合工艺优化解决方案

1.激光粉床融合简介

中国发布的《中国制造2025》旨在全面推进中国的智能制造强国战略，增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）作为推动我国智能制造产业发展，提高我国整体制造水平的关键技术手段，是《中国制造2025》的发展重点。 

目前，基于粉床的增材制造技术已被广泛应用于汽车、航空航天、医疗卫生等领域。激光粉床融合技术是一种用激光作为能源熔化粉末成型的增材制造工艺，根据材料种类的不同，L-PBF工艺包括：选区激光烧结（SLS）、选区激光熔化（SLM）和激光立体成型（LSF）。L-PBF工艺的各个阶段是铺粉、粉末熔化和固化，然后在之前的固化层上铺设新粉末，并再次将新层熔化和融合至之前固化层上。L-PBF工艺过程涉及复杂的多物理现象，如颗粒力学、流体流动、传热、表面张力、相变和凝固，这些现象对成型产品的密度、精度和残余应力等有重要影响。FLOW-3D AM自由液面跟踪算法及其多种物理模型可以高精度地模拟这些现象及过程，包括铺粉、熔池动力学、气孔形成、球化缺陷等，为研发人员分析和优化工艺参数提供理论基础。

2.多物理场分析模型概览

2.1 DEM离散元模型

激光粉床融合（L-PBF）工艺的第一道工序为铺粉，粉末的堆积、粉末之间的压实程度等都影响零件的质量。离散元方法（DEM）是模拟颗粒与颗粒、颗粒与壁面（运动部件、工作台）间的相互作用的有效方法。

2.2WELD热源模型

WELD模块可以根据实际增材制造工艺进行热源的定义，包括热源形状、功率分布、照射方向、光斑半径、扫描速度及方向等。

热源定义

2.3 WELD保护气体模型

保护气体的速度相当大，甚至会影响熔池表面的流动形态。保护气体模型可以考虑气体流动产生的动态压力变化施加在熔池表面所带来的影响。

保护气体模型

2.4 WELD多重反射模型

激光或电子束会在匙孔内发生反射，造成更多反射效果。当反射效应持续进行时，匙孔底部的能量密度累积也会持续增加，反射效应会让匙孔更深。WELD提供三种模型（temperature dependent、angle dependent cos theta、angle dependent Fresnel reflection）。

多重反射模型示意及对照

2.5 WELD熔池与匙孔传热模型

匙孔中充满蒸发气体，这些气体的流动必然会与熔池边界进行热量的交换。因此，考虑小孔与金属材料之间的传热是有必要的。

熔池与匙孔传热示意

2.6 WELD蒸汽反压模型

当能量密度够高时，熔池的表面就会发生蒸发现象，并产生反冲压力造成匙孔产生。软件会根据相变参数自动计算出来A和B的相关系数，并可以考虑蒸汽压力施加的方向。

蒸汽反压模型

2.7 TruVOF自由液面模拟

AM工艺工程中，粉末在热源的作用下熔融形成液体，因此必然涉及到熔化状态下的液面追踪。流体体积法（Volume of Fluid,即VOF）是商业CFD软件应用最广泛的自由液面追踪技术。VOF技术最早是由FLOW-3D软件开发者Hirt博士联合其他研究人员提出来的，并迅速在业界得到认可。VOF技术的三要素包括：a)定义流体体积函数；b)确定求解VOF运输方程的方法；c)自由界面的边界条件设定。

2.8气泡和相变模型

仿真传热模型将考虑粉末颗粒熔化过程中的热对流、热辐射及热传导过程的传热传质。当激光能量密度够高时，熔池的表面就会发生蒸发现象，气化会将金属蒸汽带走，造成熔池内的液相转变为蒸汽气相的质量通量损失。

2.9凝固模型

凝固模型考虑固相转变为液相过程、液相转变为固相的凝固收缩过程，包括液相区转变为糊状区、糊状区转变为固相区、以及固体区域的收缩。提供凝固阻力模型可以基于多孔介质或黏度。

2.10表面张力模型

表面张力模型考虑熔化过程熔池表面张力效应，与工件的接触角影响，提供马兰格尼效应（Marangoni effect）的输入接口，即用户可以指定表面张力梯度（surface tesion gradient, N/m-K）dσ/dT。

3.应用案例及实践

3.1铺粉工艺模拟

应用DEM模块，可以对粒子-粒子相互作用、流体-粒子耦合和粒子-运动物体相互作用进行详细分析，可以模拟粉末随机落下的堆积形态，然后模拟在滚筒或刮刀的运动下，预测颗粒的堆积密度。对于颗粒粒径，用户可以根据实际情况定义，粒径分布对颗粒堆积密度的准确仿真非常关键。此外，它也可以指定一个粒子间的力，以更精确地研究粉末扩散应用。

铺粉生成过程仿真

除了颗粒粒径会影响粉床的堆积密度外，推粉工艺也会对其产生较大影响。如推粉是采用滚筒还是刮刀，滚筒的旋转方向和旋转速度；刮刀和滚筒的平动速度等。

滚筒铺粉仿真

下图展示了不同铺粉方式下的粉床堆积密度，可以看出铺粉方式对粉床的堆积密度影响明显，通过优化铺粉方式可增加粉床的堆积密度。

不同铺粉方式的堆积密度对比

3.2熔池模拟

铺好粉床后，将DEM模块设置好的几何文件作为初始熔池模型，然后在WELD中指定激光束工艺参数，以进行高精度熔池模拟。可以详细分析熔池温度、速度、固相分数、温度梯度及凝固速度。

熔池模拟结果

下图为仿真与试验的对比。可以看出，仿真熔化区域与试验熔化区域的形态、尺寸高度吻合，证明了仿真精度足以满足研发需求。

仿真与试验对比

下图为对比了不同激光功率、移动速度下熔化区域的形态与尺寸，仿真结果同样展现出了与试验结果的一致性。

不同激光参数情况下仿真与试验对比

3.3 多层制程模拟

前一层熔池凝固后，将凝固的床层数据导出，在固化层上沉积第二层颗粒。指定新粉末层上的激光工艺参数，再进行熔池模拟。通过仿真多层增材制造过程以评估凝固层之间的熔合性，分析凝固层内部的温度梯度，并监测孔隙或其他缺陷的形成。

多层制程仿真流程

3.4不同材料的LPBF制程

FLOW-3D AM支持两种不同的材料的融合，能够追踪两种合金在熔池熔化后的混合均匀度。

不同材料的熔化混合仿真

4.应用前景与价值

通过对PBF工艺过程仿真模拟，可以使工程人员深入理解零部件的成型过程、潜在缺陷，为优化相关成型工艺提供参考。将FLOW-3D AM应用于增材制造的工艺设计之中，具备以下突出优势及应用前景：

• 设计初期可作为便宜快速的实验替代品，为试验的各种不确定因素提供更多保障，避免不必要的损失，快速进行工艺设计。

• 可以提供各种AM工艺深层的信息，这些信息可为工艺优化设计提供详细依据和指导优化方向。例如：

• 研究粉末的压实和扩散特性；

• 在微观和介观尺度上分析熔池动力学；

• 研究微观组织和残余应力。仿真压力和温度数据可以导入到Abaqus或MSC Nastran等有限元工具中，以分析应力和变形量。

• 可以模拟某些实体实验很难实现的条件，如某些极限工况。

• 可以进行故障或问题的诊断，以及性能的验证等。

• 提升产品性能、缩短研发周期、减少试验经费。