金属3D打印激光熔池控制新模式，FLOW-3D AM 仿真技术升级

南极熊导读：随着工程师们不断寻求提高工艺可靠性并减少缺陷，仿真正成为控制金属增材制造复杂物理过程的重要工具。

南极熊获悉，在2025年AMUG大会上，FlowScience, Inc.的计算流体动力学 (CFD) 工程师Garrett Clyma概述了熔池建模如何提供新功能来优化激光工艺，而无需承担高昂的物理实验成本。

挑战的核心在于增材制造过程中金属的高度局部加热和快速冷却。过热或过热会导致熔池不稳定性，从而产生孔隙、未熔合和表面不规则等缺陷。Clyma 解释道：“由于各种物理场相互作用的复杂性，控制增材制造中的材料行为极具挑战性。”

FLOW-3D AM是一个多物理 CFD 平台，旨在高保真度地捕捉这些现象，使工程师能够在进行昂贵的构建实验之前直观地看到熔池不稳定性的变化并预防缺陷。

FlowScience 的 Garrett Clyma。摄影：MichaelPetch。

光束整形：工艺稳定性的工具

激光光束整形是焊接领域的一种成熟方法，如今在增材制造 (AM) 领域正逐渐普及，成为一种调整光束空间能量分布的方法。与传统的高斯分布不同，光束整形能够更均匀地或有选择性地将能量分布在整个光束中，从而影响熔池行为和凝固特性。

Clyma 介绍了丹麦技术大学Mohamed Bayat 博士团队开展的一项研究成果，该研究利用 FLOW-3D AM 技术研究了应用于单道钛合金制造的环束轮廓。通过横截面切割和现场 X 射线监测验证，仿真结果与实验结果高度一致，熔池尺寸误差远低于 10%。

当团队在保持总激光能量恒定的同时改变芯环功率比时，模拟结果显示出清晰的趋势。环形光束产生的熔池更宽、更浅，避免了高斯光束特有的深匙孔。Clyma说道：“环形光束产生的环形凹陷区明显更小、深度也更小，从而形成了更稳定的熔池。”

然而，在更高的激光功率下，不稳定性再次出现。模拟预测了熔池中细长熔射流的形成和飞溅的喷溅——这些行为随后被高速X射线成像证实。

激光粉末床熔合中的空间光束整形：高保真模拟与现场监测，模拟与现场实验熔池轮廓。图片来自爱思唯尔。

扩展到任意光束形状

基于这些结果，Flow Science 开展了一项内部研究，探索静态和动态形状的激光束，包括无限图案、螺旋和五点阵列等复杂轮廓。在一台 10 核台式机上，单个模拟通常在 6 小时内完成，而最近的并行化发展使得更大规模的参数扫描成为可能。

例如，五点结构将能量集中在离散点上，在小孔模式下可产生较高的穿透深度，但在传导模式下效率有限。“我们并没有有效地加热熔池，而只是加热了这些单点，”Clyma解释说，并强调光束选择必须与预期的工作模式相一致。

在螺旋形和无限远图案中观察到较低的最大熔池速度和更均匀的温度分布，这表明这些形状比集中光束可以提供更好的工艺稳定性。在所有情况下，强度、温度、熔池速度和加工速率等指标提供了一个一致的框架，用于在进行物理试验之前评估权衡利弊。

“模拟是帮助做出这些决策的非常有用的工具，”Clyma说，并指出激光控制的自由度不断增加，需要系统的方法来识别有前景的光束策略。

激光粉末床熔合模拟的可视化。图片来自 Flow Science。

表面张力、光学效应和材料依赖性

AMUG 会议的与会者就FLOW-3D AM 中物理模型的深度提出了详细的问题。Clyma 确认，诸如随温度变化的表面张力、接触角和激光吸收率等关键因素已被纳入模拟。吸收率通常在已发布的材料数据集中缺失，但可以根据需要将其作为调整参数进行调整。

热物理性质通常来源于JMatPro等数据库，这使得模拟能够反映合金在熔化条件下的具体行为。此外，它还支持对激光反射和多次反射现象进行精确建模。

一位参与者称赞了模拟预测与实验观察之间的高度一致性，特别是在熔池形状、飞溅形成以及传导和锁孔模式之间的转变方面。

实际权衡：稳定性与渗透性

会议最后讨论了不同的光束轮廓如何影响缺陷形成和材料特性。虽然高斯光束由于热梯度较大，能够实现更深的穿透，并可能形成更细小的晶粒结构，但也带来了更高的飞溅和孔隙风险。相比之下，环形光束的稳定性更高，峰值温度更低，但可能会改变凝固模式。

Clyma说：“这实际上取决于你的预期目标，如果你能够在模拟中而不是实验中探索效果，那么优势就会大得多。”

FLOW-3D AM 提供温度梯度和冷却速率等输出数据，这些是微观结构演变的主要驱动因素。虽然该软件目前还不能直接预测机械性能，但这些输出数据可以帮助用户推断出可能的结果，例如晶粒尺寸、伸长率和抗冲击性。

另一位工程师进一步指出，更细小、更具定向性的晶粒（源于高梯度和快速冷却）通常与机械性能的提升相关。FLOW-3D AM 的单元级分辨率通常达到五百万个元素或更精细，可以对这些凝固动力学进行详细的局部分析。

随着模拟能力的不断扩展，增材制造工程师现在拥有强大的工具包来优化激光加工策略、减少缺陷并提高打印金属部件的性能：所有这些都是在机器上按下“打印”键之前完成的。