上海3D打印:激光選區(qū)熔化金屬3D打印，飛濺與剝蝕的數(shù)值模擬

　　激光選區(qū)熔化（SLM）是基于金屬粉末床逐層熔融、堆積與成形的一種增材制造技術(shù)。SLM可以制造高致密度且具有復(fù)雜精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)的金屬零件，相關(guān)制品已在生物醫(yī)療、航空航天、模具制造等領(lǐng)域獲得相關(guān)應(yīng)用，是金屬增材制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)。但是SLM成形過程中，存在嚴(yán)重的粉末飛濺與剝蝕現(xiàn)象，容易加重孔隙、裂紋、球化等成形缺陷，進(jìn)而降低零件性能，成為制約SLM應(yīng)用于發(fā)展的瓶頸之一。

飛濺與剝蝕是目前SLM研究中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。通過高速／高倍光學(xué)攝像、X攝像同步輻射成像等實(shí)驗(yàn)手段，可以在粉末顆粒尺度對(duì)飛濺與剝蝕現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)。但是，飛濺與剝蝕過程的流場(chǎng)形成、溫度演變、壓力分布等關(guān)鍵信息仍難以直接捕捉，因此，難以直接剖析SLM飛濺與剝蝕行為的內(nèi)在物理學(xué)機(jī)制?，F(xiàn)有針對(duì)SLM熔池的數(shù)值模型中，通常將DEM的粉末床作為初始幾何條件，單向輸入至FVM模塊，然后再FVM模塊中計(jì)算“固定粉末床”的熔融過程，整個(gè)過程只能將離散的粉末床視作固定的幾何床，無法實(shí)現(xiàn)激光掃描過程中粉末床飛濺與剝蝕行為的計(jì)算。

近期，《Acta Materialia》報(bào)道了題為“Spattering and denudation in laser powder bed fusion process： multiphase flow modelling”的研究。該研究將有限體積法（FVM）與離散單元法（DEM）進(jìn)行雙向動(dòng)態(tài)耦合，實(shí)現(xiàn)了SLM粉末床飛濺與剝蝕行為的計(jì)算與模擬。研究論文由陳輝（蘇州工業(yè)園新國大研究院副研究員）及合作導(dǎo)師閆文韜（新加坡國立大學(xué)Assistant Professor）發(fā)表。

該研究首先計(jì)算了SLM激光掃描過程中，掃描道周圍粉末顆粒的剝蝕運(yùn)動(dòng)與飛濺運(yùn)動(dòng)，結(jié)合光學(xué)攝像等實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了校對(duì)。通過周圍流場(chǎng)演變的計(jì)算，揭示了熔池金屬噴發(fā)氣體帶動(dòng)周圍氣體形成內(nèi)向渦流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)粉顆粒形成吸卷與噴射，由此導(dǎo)致剝蝕與飛濺的物理過程。其次，計(jì)算了氣體熱膨脹導(dǎo)致的流場(chǎng)變化與粉末溫度變化過程，并由此排除了實(shí)驗(yàn)分析中氣體熱膨脹引起剝蝕與飛濺的假設(shè)。最后，計(jì)算了不同金屬蒸汽噴射角狀態(tài)下的剝蝕與飛濺過程，對(duì)如何削弱SLM剝蝕與飛濺行為進(jìn)行了探討。該文為SLM飛濺與剝蝕的研究提供了一種數(shù)值模擬建模思路與方案，有助于深入了解飛濺與剝蝕行為的內(nèi)在物理學(xué)機(jī)制，并進(jìn)行相關(guān)改善。

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