3D打印技術(shù)：清華和新加坡大學(xué)研究流體流動，如何影響金屬3D打印中的枝晶生長

南極熊導(dǎo)讀，金屬3D打印的發(fā)展速度極快，隨著該技術(shù)的發(fā)展，人們已發(fā)現(xiàn)，晶粒結(jié)構(gòu)對打印結(jié)果的各項參數(shù)有著深遠(yuǎn)的影響。

清華大學(xué)和新加坡國立大學(xué)的研究人員，正在研究流體流動對金屬3D打印零件機械性能的影響。

△鈷釤銅合金中3D枝晶結(jié)構(gòu)的SEM成像

對于激光粉末床融合等金屬3D打印技術(shù)，可控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成，對于調(diào)整最終晶粒結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。他們解釋這很重要，因為晶粒結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸對幾乎所有機械性能都有顯著影響，包括硬度、屈服強度、抗拉強度、疲勞強度和沖擊強度。

這里面有很多因素和參數(shù)會影響，3D打印中新晶粒和枝晶的形成，其中，溫度梯度和凝固速度已經(jīng)被認(rèn)為是主要的決定因素。然而，根據(jù)研究人員的說法，而3D打印中流體流動的影響從未被研究過。

通過CFD模擬樹枝狀生長

冶金領(lǐng)域的枝晶，是典型的樹狀晶體結(jié)構(gòu)，隨著熔融金屬的凝固而生長和傳播。就像晶粒尺寸一樣，枝晶生長會對金屬零件的機械性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

為了研究流體流動的影響，研究團隊使用計算流體動力學(xué)(CFD)模型，來模擬流動液體熔池中枝晶的生長。該模型涵蓋了在各種溫度梯度和凝固速度下（ 0、0.2和0.4m/s流速），以實現(xiàn)全面性。為了將流體流動與枝晶生長聯(lián)系起來，團隊雙向耦合了CFD模型和多網(wǎng)格枝晶發(fā)展模型。

該團隊還利用實驗方法來補充模型，使用激光和電子束對Inconel 718樣品進(jìn)行單軌測試。

隨后的數(shù)值建模過程，涉及模擬具有不同構(gòu)建方向和凝固條件的，各種流動條件下的枝晶生長。此外，利用物理實驗的流場和溫度數(shù)據(jù)，對熔池尺寸的枝晶生長進(jìn)行了模擬。

△CFD模擬的枝晶結(jié)構(gòu)

金屬3D打印制造領(lǐng)域的研究范圍廣泛而令人震驚。就在本月，來自Tallinn科技大學(xué)和 Estonian的研究人員，開了新的技術(shù)來解決3D打印可以保障磁芯效率的問題，該團隊現(xiàn)在提出了一種基于激光的3D打印工作流程，聲稱可以產(chǎn)生優(yōu)于軟磁復(fù)合材料的磁性。

隨著金屬3D打印的發(fā)展，該技術(shù)除了具備無?；啥ㄖ苾?yōu)勢外，在打印效率和打印質(zhì)量上相比傳統(tǒng)金屬加工工藝均有較為明顯的提升，甚至能夠完成傳統(tǒng)工藝無法制造的高復(fù)雜度高精密度零部件的打印，未來，具有無限的發(fā)展?jié)摿Α?/span>