基于自适应网格法的选择性激光熔化过程温度场效应分析

供稿人:赵懿臻 张航

选择性激光熔融（SLM）技术是一种很有前途的增材制造技术。但是真正理解SLM过程便需要理解金属粉末、热传递以及温度场形成之间的相互关系。华中科技大学段伟等人模拟了TC4粉体空心圆筒SLM过程中的温度场分布。基于自适应网格技术构建形状零件，并分析温度随时间的变化。

本研究采用了一种改进的SLM过程温度场模拟模型。包括粉末向致密子模型的转变和移动体积高斯分布热源子模型。同时为了提高计算效率，在模拟过程中，重要区域的网格重构确保仿真精度，并且非关键区域网格粗化减少了数据存储和输出。因此，仿真中采用了全螺纹树（Fully threaded tree）技术作为自适应网格策略。网格细化或粗化依赖于实时某一区域的温度。如果温度更高比一个设定值，特定区域的网格将细化，否则粗化，如图1(a)。图1(b)(c)显示了模拟结果中圆桶内外圈分布情况。仿真结果表明，在筒体零件SLM过程中，内粉床温度是明显高于外部的。

图1：(a)自适应网格的细化和粗化(b) 粉床SLM过程中网格的填充和粗化 (c) 粉床表面测点温度

熔池在SLM过程中不同时刻的模拟结果如图2所示。从图2(a)(b)中可以十分清楚地看到熔池的基本形貌，其熔池直径在60um左右，深度为30um。而且熔池存在着温度不对称性。从图2(c)中可以看出，靠近圆桶内壁的熔池温度场各深度的温度点普遍比靠近外部的温度点高了200度。这是空心圆桶内部的保温效果所导致的结果。

图2：(a)去除粉末层的SLM过程中网格的填充和粗化(b)熔池温度场(c)熔池深度方向的点测温度

本研究将FTT自适应网格技术应用于SLM温度场模拟。对SLM过程中的网格细化、粗化和熔池进行了研究。此法可以极大地提高计算效率和精度，对于解决复杂构件SLM过程的温度场模拟问题提供了新的解决思路。

参考文献：
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:赵懿臻 张航
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室