专栏 l 如何通过熔池仿真分析优化SLM 增材制造工艺?

粉末床选区激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）增材制造工艺在样品制备过程中，以激光作为能量源熔化粉末形成熔池，且熔池内的金属会产生流动，随着激光的移开，熔池凝固形成了单道熔覆层。

熔池及熔覆层的特性影响着最终所制备零件的质量。对选区激光熔化激光与粉末的相互作用，熔池内金属熔体的流动过程，相应工艺条件下熔池的形态及最终熔覆层的特性进行研究可以深入理解SLM制备机理，并可对SLM3D打印制备工艺设计和优化提供指导。

离散元分析可以对撒粉和铺粉过程进行模拟，从而建立粉末床模型；SLM打印熔池及熔覆层的形成过程仿真可以采用计算流体动力学分析实现。本期谷.专栏文章分享的是安世亚太借助离散元分析软件Rocky和计算流体动力学分析软件Ansys Fluent， 对选区激光熔化铺粉过程及单道熔覆层的形成过程进行的仿真分析。这项研究在一定工况范围内研究了激光功率、激光扫描速度、铺粉层厚和激光扫描策略对打印熔池及熔覆层的影响，该仿真过程的实现可以更直观的地研究激光选区熔化制备机理并为相关工艺参数优化提供指导。

粉末床模型的建立

选区激光熔化熔池及熔覆层的形成过程主要涉及三个区域：基板（或已成形区域）、粉末层和保护气氛。

粉末特性（球形度、粒度分布、流动性等参数）对所形成的粉末床层有重要影响，而粉末床对后续的选区激光熔化过程有重要影响，因此在仿真分析过程中有必要对粉末床的形成过程进行分析。

实际工况下粉末颗粒尺寸不均匀，随铺粉工艺改变粉末颗粒的存在位置及颗粒间距也有所变化，本文采用离散元方法对金属粉末的铺粉过程进行了仿真分析，模拟在Rocky中进行，包含有粉末床层的计算域模型如图1所示：

图1 单道熔池计算域模型的建立过程

© 安世亚太

网格处理及初始化

本文熔池计算域模型采用多面体网格进行划分，最终的网格划分情况如图2所示。

图2 计算域内部某XZ截面网格划分情况

© 安世亚太

初始设置将基板（或已成形区域）和粉末区域设置为金属相（本文计算为316L合金），其余部位为保护气体，各相在计算域中的存在状态如图3所示（图示为某一层厚状态，本文针对不同的层厚进行了分析）。

图3 初始各相在计算域中的存在状态（红色为金属基板及粉末区域，蓝色为保护气体区域）

© 安世亚太

激光功率的影响分析

本文在其他制备参数一致的条件下对比了不同激光功率下熔池及单道熔覆层的形态，某工况下的对比结果见图4。

图4 激光功率对熔池及单道熔覆层的影响

© 安世亚太

激光扫描速度的影响分析

本文在其他制备参数一致的条件下对比了不同激光扫描速度下熔池及单道熔覆层的形态，某工况下的对比结果见图5。

图5 激光扫描速度对熔池及单道熔覆层的影响

© 安世亚太

铺粉层厚的影响分析

本文在其他制备参数一致的条件下对比了不同铺粉层厚下熔池及单道熔覆层的形态，某工况下的对比结果见图6。

图6 铺粉层厚对熔池及单道熔覆层的影响

© 安世亚太

扫描策略的影响分析

图7 不同扫描策略对熔覆层的影响

© 安世亚太

总结

总的来说，通过与物理实验相结合，仿真计算可以对选区激光熔化激光与粉末的相互作用，熔池内金属熔体的流动过程，相应工艺条件下熔池的形态及最终熔覆层的特性进行研究，可以深入理解SLM制备机理，并可对SLM打印机制备工艺设计和优化提供指导，缩短相应的研发和工艺优化流程。

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安世亚太在增材制造专题讲座中对SLM 3D打印熔池仿真分析进行了详细分享。点击文末“阅读原文”，获取讲座回看方式。

—作者—

谢琰军

博士，仿真咨询专家。多年材料研发及仿真咨询经验，曾负责多项设备优化仿真、材料制备机理仿真、产品结构仿真等项目，目前主要从事DfAM仿真及优化工作。

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