基于自適應網(wǎng)格法的選擇性激光熔化過程溫度場效應分析

供稿人:趙懿臻 張航

選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)是一種很有前途的增材制造技術(shù)。但是真正理解SLM過程便需要理解金屬粉末、熱傳遞以及溫度場形成之間的相互關(guān)系。華中科技大學段偉等人模擬了TC4粉體空心圓筒SLM過程中的溫度場分布?；谧赃m應網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建形狀零件，并分析溫度隨時間的變化。

本研究采用了一種改進的SLM過程溫度場模擬模型。包括粉末向致密子模型的轉(zhuǎn)變和移動體積高斯分布熱源子模型。同時為了提高計算效率，在模擬過程中，重要區(qū)域的網(wǎng)格重構(gòu)確保仿真精度，并且非關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格粗化減少了數(shù)據(jù)存儲和輸出。因此，仿真中采用了全螺紋樹（Fully threaded tree）技術(shù)作為自適應網(wǎng)格策略。網(wǎng)格細化或粗化依賴于實時某一區(qū)域的溫度。如果溫度更高比一個設定值，特定區(qū)域的網(wǎng)格將細化，否則粗化，如圖1(a)。圖1(b)(c)顯示了模擬結(jié)果中圓桶內(nèi)外圈分布情況。仿真結(jié)果表明，在筒體零件SLM過程中，內(nèi)粉床溫度是明顯高于外部的。

圖1：(a)自適應網(wǎng)格的細化和粗化(b) 粉床SLM過程中網(wǎng)格的填充和粗化 (c) 粉床表面測點溫度

熔池在SLM過程中不同時刻的模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)(b)中可以十分清楚地看到熔池的基本形貌，其熔池直徑在60um左右，深度為30um。而且熔池存在著溫度不對稱性。從圖2(c)中可以看出，靠近圓桶內(nèi)壁的熔池溫度場各深度的溫度點普遍比靠近外部的溫度點高了200度。這是空心圓桶內(nèi)部的保溫效果所導致的結(jié)果。

圖2：(a)去除粉末層的SLM過程中網(wǎng)格的填充和粗化(b)熔池溫度場(c)熔池深度方向的點測溫度

本研究將FTT自適應網(wǎng)格技術(shù)應用于SLM溫度場模擬。對SLM過程中的網(wǎng)格細化、粗化和熔池進行了研究。此法可以極大地提高計算效率和精度，對于解決復雜構(gòu)件SLM過程的溫度場模擬問題提供了新的解決思路。

參考文獻：
Duan W, Yin Y J, Zhou J X . Temperature field simulations during selective laser melting process based on fully threaded tree[J]. China Foundry, 2017, 14(5):405-411.

供稿人:趙懿臻 張航
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室