增材制造：PBF与DED工艺模拟

应用软件：FLOW-3D AM
关键词：PBF, DMLS, SLM, LC, DED, DMD, Wire-Based LMD, Powder-Based LMD

2009年，ASTM成立F42技术委员会，针对新兴技术建立工业标准。为了让沟通更加明确，技术委员会建立了ASTM F2792: Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies的文件，该标准对目前的增材制造技术进行了下列分类，包含了material extrusion, material jetting, binder jetting, sheet lamination, photopolymerization。
在众多增材制造技术中，PBF (Powder Bed Fusion)以及DED (Directed Energy Deposition)被视为金属成品制造的重点技术。

PBF与DED的工艺参数如下。

数据源：the fabricator.com

PBF (Powder Bed Fusion)

PBF是一种3D打印技术，该工艺采用电子束或激光，作用在由金属粉末堆积而成的粉床上。逐层进行加工，每层的厚度约在30~100μm。每当一层加工熔融后，粉床会向下移动，然后在加工平面上再堆积一层粉末。
基于制造商专利问题，采用PBF工艺的技术包含了DMLS (Direct Laser Metal Sintering), SLM (Selective Laser Melting)以及LC (LaserCusing)。在这类工艺中，粉床在制造过程中同时也担任支撑的功能，因此在加工前不需要考虑支撑结构，这对于设计人员而言是个非常好的功能。
FLOW-3D已被广泛应用于PBF工艺的数值模拟和研究。 由于粉末粒径、铺粉工艺与粉床制作完成之填充率有极大关系，研究人员可利用FLOW-3D与DEM模块进行相关参数仿真以及验证。

另外，可利用FLOW-3D与WELD模块进行熔池动力学的数值模拟。

数据源：

DED (Direct Energy Deposition)

DED工艺采用专用设计的沉积头(Deposition head)，沉积头能够将金属粉末或金属丝送入激光束（某些系统采用电子束）中进行熔化堆积。目前采用DED工艺的技术，包含了DMD (Direct Metal Deposition), LENS (Laser-Engineered Net Shaping), LC (Laser Consolidation)。

前述加工技术可简单分为两大类：
1）送丝技术 Wire-Based Laser Metal Deposition (LMD)
2）送粉技术 Powder Based Laser Metal Deposition(LMD)

Wire-Based Laser Metal Deposition
该技术基于激光熔覆，以激光加热金属丝，直接在金属制品上堆栈成型，如此可得到几乎不需要二次加工的成品。该工艺可通过调整激光功率、送丝速率与送丝方向等参数进行优化。

数据源：https://3dprintingindustry.com/news/gkn-aerospace-partners-oak-ridge-national-laboratory-large-scale-additive-manufacturing-115129/

FLOW-3D与WELD模块能够精确分析该工艺参数的影响。

数值模拟结果:

Powder-Based Laser Metal Deposition
与Wired-Based LMD不同，Powder-Based LMD采用的是将粉末送入激光加工范围内。粉末可以提前混合，制作特定合金。该工艺能够制作高精度的金属制品，可利用数值模拟找出最佳的喷粉及激光参数。

数据源：www.intechopen.com/books/sintering-techniques-of-materials/an-overview-of-densification-microstructure-and-mechanical-property-of-additively-manufactured-ti-6a

FLOW-3D与WELD模块能够精确分析该工艺参数的影响。

数值模拟结果:

结论

增材制造会使未来的机械制造业产生极大的变化。Flow Science将持续投入相关研究技术于AM工艺，协助客户在参数设定、工艺调整、机台开发等研究中持续精进。