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增材制造


增材制造,也被称为3D打印,是一种用金属粉末或金属丝一层一层地制造零部件的方法。过去几年,人们对金属增材制造工艺的兴趣大增。目前使用的三种主要增材制造工艺是粉床融合(PBF)、定向能量沉积(DED)和黏结剂喷射,FLOW-3D AM为这些过程提供了独特的仿真视角。

在粉床融合和定向能量沉积过程中,激光或电子束都可用作热源。在这两种情况下,PBF的金属粉末和DED工艺的金属粉末或金属丝被完全熔化并融合在一起,逐层形成零部件。然而,在黏结剂喷射工艺中,作为黏结剂的树脂被选择性地沉积在金属粉末上,逐层形成零部件,然后将这些零部件烧结以获得更好的致密度。FLOW-3D AM自由液面跟踪算法及其多种物理模型可以高精度地模拟这些过程。


Laser-powder bed fusion (L-PBF) 激光粉床融合

L-PBF过程涉及复杂的多物理现象,如流体流动、传热、表面张力、相变和凝固,这些现象对仿真的准确性有重要影响。FLOW-3D AM模拟熔池现象时考虑粉末粒度分布和堆积分数,同时求解质量、动量和能量守恒方程。

采用FLOW-3D DEMFLOW-3D WELD模拟粉床融合全过程。L-PBF工艺的各个阶段是铺粉、粉末熔化和固化,然后在之前的固化层上铺设新粉末,并再次将新层熔化和融合至之前固化层上。FLOW-3D AM可用于模拟这些阶段。

Powder bed laying process 铺粉过程

使用FLOW-3D DEM,可以通过落下随机分布的粒子并堆积铺平来模拟铺粉过程。

实现不同粉床堆积密度的一种方法是在铺粉时选择不同的粒度分布。如下图所示,有三种不同大小的粒度分布,会产生不同的堆积密度,案例2给出了最高的堆积密度。

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三种粒度分布

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三种粒度分布的粉床致密度


利用FLOW-3D DEM还可以对粒子-粒子相互作用、流体-粒子耦合和粒子-运动物体相互作用进行详细分析。此外,它也可以指定一个粒子间的力,以更精确地研究粉末扩散应用。

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粉末传递模拟


FLOW-3D AM采用离散元法(DEM)研究反向旋转圆柱滚子对粉末扩散的影响。开始时,粉末库向上移动,而加工平台向下移动,随后滚筒立即将粉末传递到加工平台上,为下一层的加工做准备。这样的模拟可以提供额外的视角,了解从粉末库转移到加工平台的粉末优选粒度。

Powder bed melting 粉床熔化

铺好粉床后,可以在FLOW-3D WELD中指定激光束工艺参数,以进行高精度熔池模拟。可以详细分析温度、速度、固相分数、温度梯度及凝固速度。

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熔池分析

熔池凝固后,FLOW-3D AM压力和温度数据也可以导入到Abaqus或MSC Nastran等有限元工具中,以分析应力和变形量。

Double-layer additive manufacturing case study 双层多路径激光增材制造案例研究

此案例为合肥学院委托Flow Science China进行的测试项目,基于FLOW-3D AM进行金属粉末在激光热源下的熔化、流动和凝固全过程仿真。双层多路径激光增材制造仿真过程:先在单层粉床进行三平行路径激光增材制造仿真,待此层凝固后重新铺粉再进行单一路径(与首层中间路径相同位置)激光熔化凝固过程模拟。

316L不锈钢粉末球体直径分别为15μm、20μm和25μm, 体积占比各1/3;粉床厚度50μm,单层粉床长度、宽度分别取1200μm、300μm;相邻激光扫描路径间距50μm。

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材料物理性质及激光热源参数

按以上条件,分别在FLOW-3DDEM WELD模块中设定参数后,运行结果如下,符合预期。

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第1层粉床粉末堆积

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第1层粉床温度场

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第1层粉床熔化区域

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第2层粉床粉末刮平

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第2层粉床温度场

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第2层粉床熔化区域


Directed energy deposition 定向能量沉积

FLOW-3D AM的内置粒子模型可用于模拟定向能量沉积过程。通过指定粉末注入速率和入射到固体基体上的热通量,固体颗粒可以向熔池中增加质量、动量和能量。

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LMD 激光金属沉积


Binder jetting 黏结剂喷射

黏结剂喷射模拟为研究受毛细作用力影响的黏结剂在粉床中的扩散和渗透提供了视角,工艺参数和材料性能直接影响沉积和扩散过程。

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黏结剂喷射流动模拟



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