《Acta Materialia》：激光选区熔化金属3D打印，飞溅与剥蚀的数值模拟

南极熊导读：激光选区熔化（SLM）是基于金属粉末床逐层熔融、堆积与成形的一种增材制造技术。SLM可以制造高致密度且具有复杂精细几何结构的金属零件，相关制品已在生物医疗、航空航天、模具制造等领域获得相关应用，是金属增材制造领域的前沿技术。但是SLM成形过程中，存在严重的粉末飞溅与剥蚀现象，容易加重孔隙、裂纹、球化等成形缺陷，进而降低零件性能，成为制约SLM应用与发展的瓶颈之一。

飞溅与剥蚀是目前SLM研究中的热点与难点。通过高速/高倍光学摄像、X摄像同步辐射成像等实验手段，可以在粉末颗粒尺度对飞溅与剥蚀现象进行观测。但是，飞溅与剥蚀过程的流场形成、温度演变、压力分布等关键信息仍难以直接捕捉，因此，仅仅依靠实验手段难以直接剖析SLM飞溅与剥蚀行为的内在物理学机制。现有针对SLM粉末床熔融的数值仿真模型中，只能将离散的粉末床简化为“固定的粉末床”，无法实现激光扫描过程中粉末颗粒飞溅与剥蚀行为的计算和预测。

南极熊3D打印网注意到，近期，《Acta Materialia》报道了题为“Spattering and denudation in laser powder bed fusion process: multiphase flow modelling”的研究。该研究将多相流耦合理论用于SLM熔融过程的建模，考虑了激光扫描过程中粉末床的离散可运动特性，并考虑了流场（熔池金属蒸发气体、保护气体）对粉末颗粒的热力驱动作用，实现了SLM粉末床飞溅与剥蚀行为的计算与模拟。研究论文由陈辉（苏州工业园新国大研究院副研究员）及合作导师闫文韬（新加坡国立大学Assistant Professor）发表。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1359645420304687

该研究首先计算了SLM激光扫描过程中，扫描道周围粉末颗粒的剥蚀运动与飞溅运动，结合光学摄像等实验观测结果对模型进行了校对。通过周围流场演变的计算，揭示了熔池金属喷发气体带动周围气体形成内向涡流，进而驱动粉颗粒形成吸卷与喷射，由此导致剥蚀与飞溅的物理过程。其次，计算了气体热膨胀导致的流场变化与粉末温度变化过程，并由此排除了实验分析中气体热膨胀引起剥蚀与飞溅的假设。最后，计算了不同金属蒸汽喷射角状态下的剥蚀与飞溅过程，对如何削弱SLM剥蚀与飞溅行为进行了探讨。该文为SLM飞溅与剥蚀的研究提供了一种数值模拟建模思路与方案，有助于深入了解飞溅与剥蚀行为的内在物理学机制，并进行相关改善以提升SLM成形性能。

1）SLM粉末床飞溅与剥蚀行为的实验观测。飞溅与剥蚀将破坏粉末床原有的堆积形态，降低熔化道质量，甚至破坏成形过程。

图 基于高倍/高速光学摄像机的SLM飞溅与剥蚀观测（Acta Materialia, 2018, 142:107）。

2）现有的多道、多层SLM粉末床熔融数值模型。将粉末床简化为固定的几何结构，无法计算粉末的飞溅与剥蚀行为。

图 单道/多道/多层粉末床熔融过程数值模拟（Acta Materialia, 2016, 108:36；Acta Materialia, 2017, 137:324）。

3）该研究报道的SLM飞溅与剥蚀行为数值模拟（Acta Materialia, 2020, 196:154）。

图 SLM粉末床飞溅与剥蚀行为数值模拟。

金属气体从熔池蒸发、喷射，带动环境气体形成内向涡流，从而驱动粉末颗粒形成剥蚀与飞溅运动。

图 SLM熔池金属气体的喷射及粉末热力驱动过程。

激光加热引发气体热膨胀并流动，引起环境气体和粉末颗粒的温度变化，但不足以驱动粉末形成剥蚀或飞溅。

图 气体热膨胀引起的粉末颗粒温度及速度演变。

金属气体喷射角过大，将直接破作用在粉末颗粒上，破坏粉末床及成形过程。

图 不同熔池金属气体喷射角的飞溅与剥蚀行为。

研究人员简介：
陈辉，苏州工业园新国大研究院 副研究员，新加坡国立大学 机械工程系 Research Fellow。2016年获得中南大学工学博士学位，2016-2018年在华中科技大学完成博士后研究。目前从事激光选区熔化（增材制造）工艺数值模拟、在线监测实验等研究工作,在Acta Materialia、I J Machine Tools & Manufacture等期刊发表学术论文10余篇。

闫文韬，新加坡国立大学 机械工程系 Assistant Professor。2012年获得清华大学工学学士学位，2017年获得美国西北大学与清华大学联合培养博士学位，2018年在西北大学机械工程系完成博士后研究，并加入新加坡国立大学机械系。目前从事金属增材制造（如电子束选区熔化，激光选区熔化）中的多尺度数值模拟、实验验证和数据分析等研究工作,在Acta Materialia、Nature Communications、I J Machine Tools & Manufacture、Computational Mechanics等期刊发表学术论文30余篇。