国内激光束与粉末颗粒光固耦合过程的模拟方法

金属3D打印机火了之后，金属3D打印粉末材料也跟着开始火了，南极熊之前报道，市场研究公司IDTechEx公布2016年3D打印金属粉末市场达到了2.5亿美金，高于预测。而3D打印金属粉末市场将保持高增长的态势，IDTechEx预测到2025年达到50亿美金的市场规模，年复合增长率39.5%。关于粉末颗粒的大小、球形度与流动性，有一种形象的比喻，像面粉一样，当粉末越均匀，细腻的时候，加工出来的金属产品的表面质量通常越高，但粉末越细腻带来的一个挑战是流动性不高，容易发生“烧糊”了的现象。南极熊之前对3D打印金属粉末制备技术的现状进行分析——南极熊揭秘3D打印金属粉末的制备方法

如何通过算法从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程，而不是凭着经验来判断加工参数应该如何设置？本期3D科学谷与谷友一起来学习南京航空航天大学顾冬冬教授团队在微观层面上如何实现激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟。

图：激光点和邻近被加热的材料

一直以来，围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见，虽然许多关于熔池的模拟也取得了一定的研究成果，但市场上的研究大多集中在温度场和应力场的模拟，是通过改变加工参数来观察温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数对成形件最终质量的影响，并且建立的模型都是宏观层面的。这些研究将粉层视为连续均匀的介质，即相当于把粉末层视为块体，并未考虑粉末颗粒堆垛的特殊结构所带来的影响。

现实中，由于粉末颗粒之间存在大量的孔隙，因而粉体对激光的吸收不同于块体，空隙对激光的吸收类似于黑体，激光经过穿透和反射可以进入粉层更深处，这就大大提高了材料对激光的吸收率。并且，粉末颗粒的外表面多为球体或者其他不规则多面体，大大增加了表面积，也提高了粉层表面的受光面积，这也与块体材料所不同。所以从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程是有必要的。

南京航空航天大学顾冬冬教授团队针对上述市场上技术的不足，提供了激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法。考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟以记录粉末颗粒熔化过程，无需改变加工参数后观察温度场和的变化，解决了现有技术在宏观层面建立熔池模型且未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响的技术问题。

包括如下步骤：
- 在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆积模型，所述三维随机分布颗粒堆积模型通过向介观尺度下粉床部分及其上方空气区域组成的计算区域内随机填充粉末颗粒形成；
- 构建所述三维随机分布颗粒堆积模型的控制方程；
- 采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆积模型以获取熔化流动过程。

图：介观尺度的粉床模型原理图，来源南京航空航天大学

图：纯AlSi10Mg颗粒模型网格划分图，来源南京航空航天大学

图：AlSi10Mg+TiC增强相复合材料模型网格划分图，来源南京航空航天大学

图：AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程温度分布云图，来源南京航空航天大学

图：AlSi10Mg颗粒受激光辐射熔化过程动态演变截面图，来源南京航空航天大学

图：颗粒在激光辐射下烧结颈形成的过程演变图，来源南京航空航天大学

南京航空航天大学顾冬冬教授团队的技术方案，具有以下优点：

优点一：考虑了粉层中不同材料颗粒的大小，颗粒间隙中气相的存在等因素，不再将粉尘视为连续性均匀介质，从介观尺度采用离散元法生成三维空间颗粒随机分布的堆垛模型，建立的随机分布堆垛模型更加接近粉末颗粒的物理模型，为模拟激光束与粉末颗粒光固耦合提供了基础；

优点二：构建随机分布堆垛模型的控制方程并建立多相流计算模型，由采用求解压力耦合的质量、能量、动量传递方程进行迭代求解光固耦合过程中的温度；

优点三：通过对光固耦合温度的数值模拟得到粉尘颗粒熔化记录，观察到不同时刻由颗粒熔化坍塌流动形成三维熔池的具体过程，获得了沿着某一横截面和纵截面的温度分布图、速度矢量图以及烧结颈形成图，并可根据模拟结果初步预测出烧结成形件的致密度和孔隙有可能出现的位置。

激光点加热金属粉末，每个激光点创建了一个微型熔池，从粉末融化到冷却成为固体结构，光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小，从而影响着零件的微晶结构。南京航空航天大学的研究对现有技术做出的贡献在于可以以软件产品的形式体现出来，从而使高质量的制造更加具有一致性，可控性和可追溯性。

来源：3D科学谷
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