研究人員利用先進CFD工具模擬熔池形態(tài)，解決LPBF浮渣處理難題

第一臺激光粉末床熔合 (LPBF) 機器于 20 世紀 90 年代中期進入商業(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，它改變了我們生產無數(shù)金屬部件的方式，從燃料噴嘴和髖關節(jié)置換術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：研究結果表明，調整激光路徑可以減少熔渣形成和密度

下一步：通過模擬預測殘渣，可以實現(xiàn)實時調整，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。他是丹麥技術大學 (DTU)機械工程系的副教授，整個學術生涯都在探索這個微型領域。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計產品的方式，以及原始設備制造商和大型服務機構運營產品的方式。

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

他說：“我當時正在使用有限元軟件模擬熔池動力學，以完成我的博士論文，結果發(fā)現(xiàn)在液滴撞擊過程中，顆粒質量不知何故有所損失。我陷入了困境，甚至考慮攻讀博士學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區(qū)域

那是在 2018 年，此后Bayat 發(fā)表了多篇關于使用 CFD 進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 軟件在預測 3D 打印結果方面發(fā)揮了重要作用，該研究重點關注 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，紅線標記了 CAD 設計的邊界——其左側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果之間的相關性。

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

金屬增材制造領域中，與向下表面相關的問題由來已久，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有關，當應用于 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，那么這種不準確性很可能是由熔渣造成的。可以將其想象成懸掛在懸垂結構底部的凍結材料滴�！�

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率低以及隨后無法將熱量從熔池中傳導出去，從而導致“類似鑰匙孔的熔化模式，從而產生明顯的鉆孔效應。結果呢？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。論文中提到了前導師 Jesper Hattel 博士、卡爾斯魯厄理工學院的幾位同事以及3D SystemsCorp.位于比利時魯汶的工廠材料和工藝開發(fā)工程經理 Lore Thijs 博士的貢獻。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：“在攻讀博士學位期間，我曾是歐盟研究機構PAM²的成員，PAM² 代表精密增材金屬制造。Lore 在魯汶大學就讀期間是該領域的先驅，并發(fā)表了首批關于選擇性激光熔化生產的金屬部件微觀結構的論文之一。她目前擔任 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。那些能夠控制浮渣形成的系統(tǒng)不僅可以生產出更高質量的部件，還可以減少甚至消除對構建支撐的需求，從而降低制造成本。

通過模擬確認結果

Bayat 及其團隊在研究項目開始時設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 構建軟件進行預處理，然后傳輸?shù)皆摴�司的一臺 ProX DMP 320 直接金屬 3D 打印機上。除了朝下的區(qū)域外，使用了標準打印參數(shù)，朝下的區(qū)域應用了不同級別的激光功率，包括“高能”模式以確保形成浮渣。然后對測試樣品進行清潔、切割和拋光，然后用光學和掃描電子顯微鏡進行檢查。

實物測試樣品中發(fā)現(xiàn)的鎖孔、孔隙和不準確性與 Flow-3D AM 先前預測的相似，驗證了虛擬模型中使用的輸入參數(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)在我們已經將兩者關聯(lián)起來，我們可以尋找糾正它們的方法。最終目標是在構建過程中根據現(xiàn)場反饋進行實時調整，盡管這需要額外的工作�！�

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

在該技術問世之前，Bayat 發(fā)現(xiàn)對預編程激光路徑進行調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的主要原因，“在相鄰激光掃描之間移動時，激光功率保持關閉的掃描策略（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，廣泛用于零件修復、表面增強和“功能分級”夾層金屬的生產。

在這里，用 Flow-3D AM 構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，后者被描述為當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。使用熱像儀和光學顯微鏡，DTU 研究人員表明模擬結果與物理測量結果“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 將在驗證和指導我們的實驗方面發(fā)揮關鍵作用。”