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研究人員利用先進(jìn)CFD工具模擬熔池形態(tài),解決LPBF浮渣處理難題

時間:2024-12-25 11:33 來源:南極熊 作者:admin 閱讀:
       第一臺激光粉末床熔合 (LPBF) 機器于 20 世紀(jì) 90 年代中期進(jìn)入商業(yè)市場。它們迅速為制造業(yè)的革命鋪平了道路,近三十年后,它改變了我們生產(chǎn)無數(shù)金屬部件的方式,從燃料噴嘴和髖關(guān)節(jié)置換術(shù)到渦輪葉片和熱交換器。

 

然而,直到最近,研究人員才開始了解當(dāng)直徑僅有一根頭發(fā)絲大小的激光束撞擊微小的金屬粉末時發(fā)生的復(fù)雜物理現(xiàn)象,瞬間將其溫度升高到幾千華氏度,形成增材制造 (AM) 行業(yè)所稱的熔池。

 

問題:激光粉末床熔合 (LPBF) 中的下表面上形成浮渣
早期解決方案:研究結(jié)果表明,調(diào)整激光路徑可以減少熔渣形成和密度
下一步:通過模擬預(yù)測殘渣,可以實現(xiàn)實時調(diào)整,避免在打印過程中出現(xiàn)殘渣

 

    Mohamad Bayat 博士就是其中一位研究人員。他是丹麥技術(shù)大學(xué) (DTU)機械工程系的副教授,整個學(xué)術(shù)生涯都在探索這個微型領(lǐng)域。他和其他實驗室的研究成果有望改變金屬增材制造機器制造商設(shè)計產(chǎn)品的方式,以及原始設(shè)備制造商和大型服務(wù)機構(gòu)運營產(chǎn)品的方式。

 

Bayat 用于模擬這些復(fù)雜過程的主要工具是Flow-3D AM,這是 FlowScience Inc. 推出的先進(jìn)計算流體動力學(xué) (CFD) 軟件平臺,專為模擬金屬和聚合物 3D 打印過程而設(shè)計。

 

他說:“我當(dāng)時正在使用有限元軟件模擬熔池動力學(xué),以完成我的博士論文,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在液滴撞擊過程中,顆粒質(zhì)量不知何故有所損失。我陷入了困境,甚至考慮攻讀博士學(xué)位時研究增材制造的另一個方面,直到我與我們團隊的一位教授 Jon Spangenberg 博士進(jìn)行了交談。他聽說 Flow-3D 的一款新 CFD 軟件很不錯,于是同意購買許可證。從那時起,我們就一直在使用它。”


浮渣:在鑄造、冶煉、焊接或 3D 打印過程中,在熔融金屬表面形成的不需要的物質(zhì)區(qū)域
 

那是在 2018 年,此后Bayat 發(fā)表了多篇關(guān)于使用 CFD 進(jìn)行金屬增材制造的研究論文。在最近發(fā)表的一項研究中,F(xiàn)low-3D 軟件在預(yù)測 3D 打印結(jié)果方面發(fā)揮了重要作用,該研究重點關(guān)注 LPBF 中常見的一種現(xiàn)象:浮渣。

 

顯微照片顯示零件朝下區(qū)域的熔渣,在這張顯微照片中,紅線標(biāo)記了 CAD 設(shè)計的邊界——其左側(cè)的所有材料都是渣滓,即朝下表面上的多余材料。來源:AmalCharles、Mohamad Bayat 等人。

 

LPBF 中的熔渣形成

 

Bayat在其論文“闡明激光粉末床熔合過程中朝下表面的熔渣形成情況:面向現(xiàn)象的多物理場模擬和實驗驗證/ Elucidation of drossformation in laser powder bed fusion at down-facing surfaces:Phenomenon-oriented multiphysics simulation and experimental validation”中探討了熔渣形成的原因以及模擬和實驗結(jié)果之間的相關(guān)性。

 

 

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102551

 

     金屬增材制造領(lǐng)域中,與向下表面相關(guān)的問題由來已久,機器制造商也一直在努力解決這些問題。但人們可能不太了解的是“浮渣”這個術(shù)語。浮渣長期以來與熔煉、鑄造和焊接過程中熔融金屬表面形成的雜質(zhì)有關(guān),當(dāng)應(yīng)用于 LPBF、定向能量沉積 (DED) 和某些其他高能粉末金屬增材制造技術(shù)時,其定義更為廣泛。

 

    Bayat 說道:“可以將熔渣想象成任何不符合朝下表面預(yù)期幾何形狀的材料。例如,如果我嘗試以 30 度角打印一個 3 毫米厚的部件特征,但最終得到的部件厚度只有 5 毫米,那么這種不準(zhǔn)確性很可能是由熔渣造成的?梢詫⑵湎胂蟪蓱覓煸趹掖菇Y(jié)構(gòu)底部的凍結(jié)材料滴。”

 

    正如 Bayat 的論文所述,熔渣的形成主要是由于松散粉末的熱導(dǎo)率低以及隨后無法將熱量從熔池中傳導(dǎo)出去,從而導(dǎo)致“類似鑰匙孔的熔化模式,從而產(chǎn)生明顯的鉆孔效應(yīng)。結(jié)果呢?尺寸變化、表面粗糙度高,對于使用金屬增材制造承重部件的制造商來說,也許最重要的是機械性能下降和孔隙率等缺陷。

 

橫截面圖顯示了面朝下的表面上由熔渣引起的孔隙。來源:Amal Charles、Mohamad Bayat 等人。

 

團隊協(xié)作

 

Bayat 的研究得到了幫助。論文中提到了前導(dǎo)師 Jesper Hattel 博士、卡爾斯魯厄理工學(xué)院的幾位同事以及3D SystemsCorp.位于比利時魯汶的工廠材料和工藝開發(fā)工程經(jīng)理 Lore Thijs 博士的貢獻(xiàn)。所有人都參與了這項工作,但 Thijs 和 3D Systems 才是該項目的工業(yè)合作伙伴。

 

Bayat 解釋道:“在攻讀博士學(xué)位期間,我曾是歐盟研究機構(gòu)PAM²的成員,PAM² 代表精密增材金屬制造。Lore 在魯汶大學(xué)就讀期間是該領(lǐng)域的先驅(qū),并發(fā)表了首批關(guān)于選擇性激光熔化生產(chǎn)的金屬部件微觀結(jié)構(gòu)的論文之一。她目前擔(dān)任 PAM 2的董事會成員,并在該項目的啟動過程中發(fā)揮了重要作用。”

 

Thijs 的參與并不令人意外,因為精確、可預(yù)測地打印傾斜、近水平的表面仍然是衡量許多金屬增材制造系統(tǒng)的基準(zhǔn)。那些能夠控制浮渣形成的系統(tǒng)不僅可以生產(chǎn)出更高質(zhì)量的部件,還可以減少甚至消除對構(gòu)建支撐的需求,從而降低制造成本。

 

通過模擬確認(rèn)結(jié)果

 

Bayat 及其團隊在研究項目開始時設(shè)計了帳篷形測試部件,這些部件直徑約為一英寸,由 23 級 Ti6Al4V 鈦合金制成。這些部件使用 3D Systems 的 3DXpert 構(gòu)建軟件進(jìn)行預(yù)處理,然后傳輸?shù)皆摴镜囊慌_ ProX DMP 320 直接金屬 3D 打印機上。除了朝下的區(qū)域外,使用了標(biāo)準(zhǔn)打印參數(shù),朝下的區(qū)域應(yīng)用了不同級別的激光功率,包括“高能”模式以確保形成浮渣。然后對測試樣品進(jìn)行清潔、切割和拋光,然后用光學(xué)和掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢查。

 

實物測試樣品中發(fā)現(xiàn)的鎖孔、孔隙和不準(zhǔn)確性與 Flow-3D AM 先前預(yù)測的相似,驗證了虛擬模型中使用的輸入?yún)?shù)是正確的。Bayat 表示:“高級模擬幫助我們發(fā)現(xiàn)了這些懸垂缺陷背后的潛在機制,現(xiàn)在我們已經(jīng)將兩者關(guān)聯(lián)起來,我們可以尋找糾正它們的方法。最終目標(biāo)是在構(gòu)建過程中根據(jù)現(xiàn)場反饋進(jìn)行實時調(diào)整,盡管這需要額外的工作。”

 

△CFD模型預(yù)測的軌道形態(tài)溫度輪廓與實驗結(jié)果的對比。來源:Amal Charles、Mohamad Bayat 等人。

 

在該技術(shù)問世之前,Bayat 發(fā)現(xiàn)對預(yù)編程激光路徑進(jìn)行調(diào)整可以帶來顯著的好處。正如論文中指出的那樣,每個掃描矢量末端的激光減速是造成鎖孔效應(yīng)的主要原因,“在相鄰激光掃描之間移動時,激光功率保持關(guān)閉的掃描策略(即所謂的空中直寫激光路徑模式)更有利于減少熔渣形成并提高密度。因此,需要進(jìn)一步研究參數(shù)優(yōu)化和開發(fā)面向下方區(qū)域的新型掃描策略。”

 

拓展研究

 

Bayat 和 DTU 的團隊正在使用先進(jìn)的模擬來驗證其他增材制造實驗。他們早期的一篇題為“Onthe role of the powder stream on the heat and fluid flow conditions duringDirected Energy Deposition of maraging steel—Multiphysics modeling andexperimental validation”論文討論了粉末流速度如何影響 DED 中的熱量和流體流動條件,DED 是一種金屬 AM 技術(shù),廣泛用于零件修復(fù)、表面增強和“功能分級”夾層金屬的生產(chǎn)。

 

在這里,用 Flow-3D AM 構(gòu)建的模型有助于解釋各種物理現(xiàn)象,例如凝固、蒸發(fā)和馬蘭戈尼效應(yīng),后者被描述為當(dāng)兩種流體界面上存在表面張力梯度時發(fā)生的物理現(xiàn)象。使用熱像儀和光學(xué)顯微鏡,DTU 研究人員表明模擬結(jié)果與物理測量結(jié)果“非常吻合”。更重要的是,該團隊發(fā)現(xiàn),通過增加粒子速度,他們可以將 3D 打印軌道的高寬比提高一倍以上,這一發(fā)現(xiàn)可能具有一些超凡脫俗的應(yīng)用。

 

他說:“我們最近申請了一個名為 Lunar Print 的項目的資金。我們實際上已經(jīng)成功使用類似 DED 的工藝打印了七八層月球沙。如果成功,宇航員就可以用手頭的原材料 3D 打印月球棲息地。與我們在這里的大多數(shù)工作一樣,F(xiàn)low-3D AM 將在驗證和指導(dǎo)我們的實驗方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。”


 

(責(zé)任編輯:admin)

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