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增材制造:从头到尾模拟

来源:国际工业激光商情 发布时间:2023-02-09 323
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 3D打印
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使用离散元方法,他们首先模拟了单个粉末颗粒如何借助一种特殊工具(即刮墨刀)在构建室内运行。

使用激光粉末床熔融工艺的工具增材制造具有许多优点:经济、精确,并允许定制解决方案。也就是说,很难确定最佳工艺参数,例如激光的扫描速度或功率。现在,弗劳恩霍夫的研究人员首次在微观结构层面模拟激光粉末床熔融的过程,以确定工件性能与所选工艺参数之间的直接关系。为此,他们结合了许多不同的模拟方法。


增材制造具有许多优点。最值得注意的是,可以节省能源和材料,还可以实现复杂的部件几何结构和定制产品。激光粉末床熔融工艺(LPBF)是一种广泛应用于部件和工具的增材制造工艺,该工艺以创新周期短和成本效益高而备受瞩目。


这里的原理是,50微米厚的粉末床通过激光精确加热。当激光移动时粉末液化,颗粒熔化,熔池凝固。在激光束没有与粉末接触的区域则不会发生熔化。此过程重复多次,导致组件逐层增加高度。


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LPBF过程的光线跟踪模拟(图片来源:Fraunhofer IWM)


重要的是,成品组件的密度为100%,没有孔隙,并且每个新涂覆层都与下面的层牢固结合。这样的结果是通过调整工艺参数实现的,例如激光的扫描速度和功率。金属晶粒的微观结构对工件的机械性能特别重要。它们具有一定的方向、尺寸和形状,并对机械性能有相当大的影响,例如材料的弹性模量或屈服应力,即材料塑性变形的载荷。


这里的问题是:如何控制工艺,以使产生的微观结构适合组件的未来使用条件?此外,部件和工件通常由不同的金属合金制成:钢、铝合金、钛合金,具有不同的成分和混合比。每种合金材料具有不同的性质,并形成不同的微观结构。到目前为止,找到最佳的工艺参数和材料并使它们相互匹配是一项实验性的工作。

模拟整个流程链


弗劳恩霍夫材料力学研究所(Fraunhofer IWM)的研究人员现在采取了不同的方法。团队负责人Claas Bierwisch博士解释道:“由于新材料和要求,激光粉末床熔融的过程变得越来越复杂,我们决定模拟整个过程链。这使我们不仅能够最大限度地减少试错周期,而且能够快速有效地评估整个过程中的变化,并消除制造过程中的不良影响。”


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激光熔池中柱状微结构形成的模拟(图片来源:Fraunhofer IWM)


重要的是,研究人员结合了不同的模拟方法。使用离散元方法,他们首先模拟了单个粉末颗粒如何借助一种特殊工具(即刮墨刀)在构建室内运行。接下来,研究团队使用平滑粒子流体力学方法模拟了粉末颗粒熔化的方式,计算激光相互作用和热传导,以及导致熔体流动的表面张力。计算还考虑了材料蒸发时产生的重力和反冲压力。


模拟还必须描述了材料的微观结构,以便预测材料的机械性能。Biervisch解释道:“为了分析这种微观结构,我们采用了另一种模拟方法,即‘细胞自动机’。描述了金属颗粒如何随着温度梯度而生长。”


这是因为激光与粉末接触处的温度可以达到3000℃,但只有几毫米远,材料是冷的。此外,激光以高达每秒几米的速度在粉末床上移动。结果,材料非常快地被加热,但也在几毫秒内再次冷却。所有这些都会影响材料的微观结构形成。最后一步是有限元模拟:研究团队使用该方法对材料的代表性体积元素进行不同方向的拉伸试验,以了解材料对这些载荷的反应。


“在实验中,我们只能研究最终结果,而在模拟中可以实时观察发生的情况。换句话说,我们创建了一个过程-结构-性能关系。例如,如果当我们增加了激光功率,材料的微观结构就会发生变化。这反过来会显著影响材料的屈服应力。这方面的质量与实验中可能出现的情况完全不同,”Bierwisch说,“在一个实验中,你可以用一种几乎是调查性的方式来检测相互关系。”

来源:Fraunhofer-Gesellschaft(弗劳恩霍夫应用研究促进协会)


来源:荣格-《国际工业激光商情》

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