CN106383968B - 一种激光3d打印过程的实时模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光3D打印过程的实时模拟方法，属于激光成形制造和快速成型领域。该方法对粉末的分布状态进行描述，计算了粉末熔化过程的能量需求，得到了零件在打印过程中的形状尺寸变化。该方法在计算模拟的辅助下，可以对激光3D打印过程进行实时模拟，得到激光3D打印过程中的温度场等信息。现有的激光成形工艺筛选方法依赖于大量的实验数据，实验周期长成本高。本发明可以对不同工艺参数的激光3D打印过程进行实时模拟。在实验加工之前对工艺参数进行预判，筛选出合适的工艺参数。本发明可以大幅度提高激光成形工艺的研发速度，并降低研发成本。

Description

一种激光3D打印过程的实时模拟方法

技术领域：

本发明涉及激光成形制造和快速成形技术领域，具体涉及一种激光3D打印过程的实时模拟方法。

背景技术：

3D打印源于快速制造技术，随着金属材料的3D打印技术兴起，3D打印在全球范围内得到了广泛关注。与传统的铸造技术相比，3D打印不需要制备模具，缩短了零件的研发周期。与锻件相比，3D打印在提供与其媲美的力学性能的同时可实现复杂的形状结构。更重要的是，3D打印在制备网状等复杂结构件时，填补了传统加工技术的空白。

纵然3D打印具有众多优点，但是其工艺参数的制定依旧是一大难题。与传统的铸锻类似，每种材料均有一个合适的加工窗口。与铸锻不同的是，激光3D打印过程中涉及的工艺参数众多，如光斑、功率、送粉量/铺粉量、扫描速度、预热温度、材质等。通过传统的尝试方法来选择、优化工艺参数不但周期长成本高，而且所得工艺参数具有很大的局限性(换一个形状尺寸所得工艺参数可能失效)。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种激光3D打印过程的实时模拟方法，该方法是利用计算模拟来选择、优化工艺参数，可行性强，适用于模拟激光3D打印过程，可用于3D打印的工艺研发。本发明可以缩短研发周期、降低研发成本，对于促进激光3D打印的发展具有重要意义。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种激光3D打印过程的实时模拟方法，该方法通过对粉末供给、粉末熔化的能量供给和打印过程零件体积变化的计算模拟，实时显现激光3D打印过程，并能够获得打印过程中的温度场信息；该方法具体包括如下步骤：

(1)模拟打印过程中的粉末供给量，包括送粉设备的粉末供给量和铺粉设备的粉末供给量；

(2)模拟粉末熔化过程中的能量，该能量由熔池和激光照射共同提供；

(3)粉末与零件焊合以后，对零件体积的变化进行模拟；

(4)使用数值计算或有限元软件获得打印过程中的温度场信息。

上述步骤(1)中，模拟打印过程中的粉末供给量时，对于送粉设备，使用打印过程中的单位时间单位面积上的粉末供给量的函数表达式对送粉过程进行模拟；对于铺粉设备，将铺粉的层高进行转化，使其能够使用送粉过程的函数表达式进行模拟。

上述步骤(1)中，送粉设备的粉末供给量模拟如下：如果对粉末分布的精度要求高，采用测量数据配合插值函数对送粉量进行模拟；如果对粉末分布的精度要求不高，粉末在半径Rfr内近似均匀分布，则坐标(x,y)处的单位时间单位面积上的粉末供给量Mrh表达式如式(1)：

Mrh＝Mfr/(π×Rfr²)×sign{sign[Rfr²-(x-x1)²-(y-y1)²]+1} (1)

式(1)中Mfr表示单位时间的送粉量，单位为kg/s；(x1,y1)为送粉中心；

上述步骤(1)中，铺粉设备的粉末供给量模拟为：坐标(x,y)处的单位时间单位面积上的粉末供给量Mrh表达式如式(2)：

Mrh＝Ps×sign{sign[Ds²-(x-x1)²]+1}×sign{sign[Ds²-(y-y1)²]+1} (2)

式(2)中：相邻打印道次之间的距离为Wol，激光光斑半径为Rol，激光扫描速度为Vol，粉末厚度为Hp，含空隙的粉末密度为Dpo，Ds＝min(Wol/2,Rol)，Ps＝Hp×Dpo/(2Ds/Vol)。

上述步骤(3)中，粉末与零件是否焊合的判据如下：

(a)对于送粉设备，粉末焊合与否的判据如式(3)：

Yn＝sign[sign(T-Tm)+1] (3)

式(3)中T为某处的表面温度，Tm为基材熔点；Yn的值为1时，则有粉末可能与基材发生焊合；值为零时没有焊合发生；

(b)对于铺粉设备，当粉末熔化深度低于铺粉厚度Hp时，焊合不能发生。

上述步骤(3)中，体积变化的模拟如下：

(a)送粉设备打印过程中，基材高度增加的速度表达式如式(4)：

Vh＝Vhmax×C3 (4)

式(4)中Vhmax＝Mrh/Dp×Yn，Dp为不含空隙粉末密度；C3＝max(C1,C2)；C1＝min{Qol/[Cp×(T-Tp)×Mrh],1}，Qol表示该处吸收激光功率的面密度，Cp表示粉末比热容，T指该处的表面温度，Tp指粉末原始温度；C2＝min{[Kp×(T-Tm)/Rp]/[Cf×(Tm-Tp)×Mrh],1}，其中Kp表示粉末热导率，Rp指粉末平均粒度；

(b)铺粉设备打印过程中，基材高度增加的速度表达式如式(5)：

Vh＝Mrh/Dp×Yn (5)。

上述步骤(3)中，送粉设备和铺粉设备打印过程中，考虑形状因子的基材增加速度Vhz表达式为式(6)：

Vhz＝Vh×Chz (6)

其中Chz是形状因子的系数；Chz＝1-Chz1×sign[sign(z-Zm×1.1)+1]+Chz1×sign[sign(Zm×0.9-z)+1]，z表示该处的高度，Zm表示熔化区域的平均高度，Chz1是一个小于1的正数，可根据实验结果调整其大小。

上述步骤(3)中，打印过程中零件的体积变化的模拟过程有两种途径：一是利用变形网格模拟打印过程中的体积增加过程，二是利用生死单元进行模拟。

上述步骤(3)中，对于形状尺寸比较复杂的零件，为了减少运算量，提高模拟速度，采用分段模拟的方法对打印过程的体积变化进行模拟。

本发明设计原理如下：

本发明基于定量化的思想，计算模拟中将粉末供给量在时空上的分布用函数予以描述，粉末供给量的定量化是模拟激光3D打印的基础。粉末在打印过程中与零件发生焊合，期间会发生升温熔化，升温过程中的能量来源于高温熔池和激光照射；计算模拟中将温升过程的能量供给使用函数表达式予以衡量。粉末在熔化焊合以后，零件的体积会发生变化，计算模拟中对体积变化过程进行了公式推导，使得在数值计算或有限元软件上模拟出打印过程的体积变化得以实现。

本发明的有益效果是：

1.本发明可以使用计算机等计算设备实时显现激光3D打印过程，工艺研发过程对实验设备的依赖度降低。

2.针对工艺研发中遇到各种技术难题，可通过本发明计算模拟提前验证解决方案的可靠性。

3.通过本发明的计算模拟对工艺参数进行筛选和优化，替代大量繁琐的实验尝试工艺，可以起到提高研发速度降低研发成本。

附图说明：

图1为送粉打印过程的形状体积变化。

图2为送粉打印过程在0.5s时的温度面分布。

图3为送粉打印过程在0.5s时的温度梯度的面分布。

图4为铺粉打印过程的形状体积变化。

图5为不加入形状因子的多道次送粉打印。

图6为加入形状因子的多道次送粉打印。

具体实施方式：

以下结合附图及实施例详述本发明。

本发明为激光3D打印过程的实时模拟方法，该方法通过对粉末供给、粉末熔化的能量供给、打印过程体积变化的计算模拟，可以实时显现激光3D打印过程，并得到温度场等信息。该方法包括如下步骤：

(1)模拟打印过程中的粉末供给量，包括送粉设备的粉末供给量和铺粉设备的粉末供给量；

(2)模拟粉末熔化过程中的能量，该能量由熔池和激光照射共同提供；

(3)粉末与零件焊合以后，对零件体积的变化进行模拟；

(4)使用数值计算或有限元软件获得打印过程中的温度场信息。

各步骤具体过程如下：

(一)模拟打印过程中的粉末供给量：

对于送粉设备，使用打印过程中的单位时间单位面积上的粉末供给量的函数表达式对送粉过程进行模拟；对于铺粉设备，将铺粉的层高进行转化，使其能够使用送粉过程的函数表达式进行模拟。

1、送粉设备的粉末供给量模拟如下：如果对粉末分布的精度要求高，采用测量数据配合插值函数对送粉量进行模拟；如果对粉末分布的精度要求不高，可以认为粉末在半径Rfr内均匀分布，则坐标(x,y)处的单位时间单位面积上的粉末供给量Mrh表达式如式(1)：

Mrh＝Mfr/(π×Rfr²)×sign{sign[Rfr²-(x-x1)²-(y-y1)²]+1} (1)

式(1)中Mfr表示单位时间的送粉量，单位为kg/s；(x1,y1)为送粉中心；

2、铺粉设备的粉末供给量模拟：铺粉设备的粉末供给量需要结合打印参数进行转化，变成与送粉类似的表述格式。设相邻打印道次之间的距离为Wol，激光光斑半径为Rol，激光扫描速度为Vol，粉末厚度为Hp，含空隙的粉末密度为Dpo。则坐标(x,y)处的单位时间单位面积上的粉末供给量Mrh表达式如式(2)：

Mrh＝Ps×sign{sign[Ds²-(x-x1)²]+1}×sign{sign[Ds²-(y-y1)²]+1} (2)

式(2)中Ds＝min(Wol/2,Rol)，Ps＝Hp×Dpo/(2Ds/Vol)。

(二)模拟粉末熔化过程中的能量，该能量由熔池和激光照射共同提供；本领域技术人员可根据文献资料查询或者其他现有方式获得。

(三)粉末与零件焊合以后，对零件体积的变化进行模拟：

送到打印基材表面的粉末可能熔化焊合，未焊合的粉末将会弹开；粉末与零件是否焊合的判据如下：

(a)对于送粉设备，粉末焊合与否的判据如式(3)：

Yn＝sign[sign(T-Tm)+1] (3)

式(3)中T为某处的表面温度，Tm为基材熔点；Yn的值为1时，则有粉末可能与基材发生焊合；Yn的值为零时没有焊合发生；当打印过程中热源的热输入能够提供足够的能量时，到达某处的粉末则均会发生熔化焊合。

(b)对于铺粉设备，粉末在打印过程中会熔化并与基材焊合，当粉末熔化深度低于铺粉厚度Hp时，焊合不能发生，说明工艺参数待修正。

上述步骤(3)中，体积变化的模拟如下：

(a)送粉设备打印过程中，粉末不一定都会熔化焊合。粉末未发生焊合时，体积不发生变化。当粉末部分焊合时，粉末的焊合引起基材体积变化，基材高度增加。当粉末完全焊合时，基材高度增加达到极大值。基材高度增加的速度表达式如式(4)：

Vh＝Vhmax×C3 (4)

式(4)中Vhmax＝Mrh/Dp×Yn，Dp为不含空隙粉末密度；C3＝max(C1,C2)；C1＝min{Qol/[Cp×(T-Tp)×Mrh],1}，Qol表示该处吸收激光功率的面密度，Cp表示粉末比热容，T指该处的表面温度，Tp指粉末原始温度；C2＝min{[Kp×(T-Tm)/Rp]/[Cf×(Tm-Tp)×Mrh],1}，其中Kp表示粉末热导率，Rp指粉末平均粒度；

(b)铺粉设备打印过程中，体积变化与送粉不同。忽略部分粉末在挥发蒸汽的外力作用下飞溅，铺粉的粉末会完全沉积到样品表面。其特点在于，当激光能量足够时，粉末会与基体良好焊合；当能量不足时粉末会附着在样品表面。铺粉打印时，基材高度增加的速度表达式如式(5)：

Vh＝Mrh/Dp×Yn (5)。

上述步骤(3)中，当熔池的体积比较大而温度较低时，由于表面张力会使得熔池表面趋于弧形。当熔池较大且温度较高时，表面张力不足以抵抗重力作用时，熔池会发生流淌。为了更加准确的描述打印过程中的体积变化，可以使用成熟的流体力学对上述现象进行精确的计算模拟(计算量巨大但精度较高)。另一种方法是使用形状因子对上述现象进行补偿(计算量小但只是粗略的近似处理)。因此，在送粉设备和铺粉设备打印过程中，考虑形状因子的基材增加速度Vhz表达式为式(6)：

Vhz＝Vh×Chz (6)

其中Chz是形状因子的系数；Chz＝1-Chz1×sign[sign(z-Zm×1.1)+1]+Chz1×sign[sign(Zm×0.9-z)+1]，z表示该处的高度，Zm表示熔化区域的平均高度，Chz1是一个小于1的正数，可根据实验结果调整其大小。考虑形状因子以后的打印速度为Vhz，低于熔化区域平均高度一定程度的，会由于熔体流动到此处增加其打印速度；高于熔化区域平均高度一定程度的，会由于熔体流走减慢其打印速度。

上述步骤(3)中，打印过程中零件的体积变化的模拟过程有两种途径：一是利用变形网格模拟打印过程中的体积增加过程，二是利用生死单元进行模拟。在科学计算中往往会使用数值解法求解传热等公式，这会导致不同节点的体积增加速度偏离真实值。在计算结果的收敛性比较差时，也可以使用上述的Vhz对体积增加速度作光滑处理，提高计算结果的收敛性。

上述步骤(3)中，对于形状尺寸比较复杂的零件，为了减少运算量，提高模拟速度，采用分段模拟的方法对打印过程的体积变化进行模拟。

(四)体积增加速度对时间的积分便是基材高度的变化值。通过上述方法可以将打印过程实时显现，同时结合数值计算或有限元软件可获得温度场等信息。可以监测某个点的温度变化。可以计算熔化温度的等温面获得熔化界面的尺寸形状。可以进一步获取熔化界面上的温度梯度、凝固速度等信息。对于材料研发而言，温度场等参数会影响材料的组织性能，通过计算模拟提前预知温度场等信息对于选择合理的工艺参数具有重要意义。

实施例1

以高温合金DD5为例，在长2cm×宽1cm×高2cm的基体上进行同轴送粉的激光3D打印。激光功率为1500W，激光吸收率设置为15％，光斑半径设置为0.7mm。送粉速率为10g/min，粉末分布于半径1.5mm的圆内。打印过程中，激光扫描速度为600mm/min。采用上述介绍的计算方法，可以得到打印过程中基材的形状尺寸变化图，如图1所示。在图1中展示了从0s、0.1s、0.2s、0.3s、0.4s到0.5s的形状尺寸变化。在计算结果中取0.5s时的剖面图可以得到温度场分布，如图2所示。在计算结果中取0.5s时的剖面图还可以得到温度梯度的分布图，如图3所示。

实施例2

以高温合金DD5为例，在长2cm×宽1cm×高2cm的基体上进行铺粉式的激光3D打印。激光功率为1500W，激光吸收率设置为15％，光斑半径设置为0.7mm。铺粉厚度为0.2mm。打印过程中，激光扫描速度为1200mm/min。同样，通过计算可以得到打印过程中基材的形状尺寸变化图，如图4所示。在图4中展示了从0s、0.05s、0.10s、0.15s、0.20s到0.25s的形状尺寸变化。

实施例3

以高温合金DD5为例，在长1.5cm×宽1cm×高2cm的基体上进行同轴送粉的激光3D打印。激光功率为1500W，激光吸收率设置为15％，光斑半径设置为0.7mm。送粉速率为10g/min，粉末分布于半径1.5mm的圆内。打印过程中，激光扫描速度为600mm/min，相邻道次之间的间距为1.05mm。在不加入形状因子时，其计算结果如图5所示。加入形状因子后，其计算结果如图6所示。图5中存在许多较为突兀的尖角凸起，加入形状因子以后很好的抑制了这种现象(如图6)。

Claims (8)

1.一种激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：该方法通过对粉末供给、粉末熔化的能量供给和打印过程零件体积变化的计算模拟，实时显现激光3D打印过程，并能够获得打印过程中的温度场信息；该方法具体包括如下步骤：

(1)模拟打印过程中的粉末供给量，包括送粉设备的粉末供给量和铺粉设备的粉末供给量；送粉设备的粉末供给量模拟如下：如果对粉末分布的精度要求高，采用测量数据配合插值函数对送粉量进行模拟；如果对粉末分布的精度要求不高，粉末在半径Rfr内近似均匀分布，则坐标(x,y)处的单位时间单位面积上的粉末供给量Mrh表达式如式(1)：

Mrh＝Mfr/(π×Rfr²)×sign{sign[Rfr²-(x-x1)²-(y-y1)²]+1} (1)

式(1)中Mfr表示单位时间的送粉量，单位为kg/s；(x1,y1)为送粉中心；

(2)模拟粉末熔化过程中的能量，该能量由熔池和激光照射共同提供；

(3)粉末与零件焊合以后，对零件体积的变化进行模拟；

(4)使用数值计算或有限元软件获得打印过程中的温度场信息。

2.根据权利要求1所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：步骤(1)中，模拟打印过程中的粉末供给量时，对于送粉设备，使用打印过程中的单位时间单位面积上的粉末供给量的函数表达式对送粉过程进行模拟；对于铺粉设备，将铺粉的层高进行转化，使其能够使用送粉过程的函数表达式进行模拟。

3.根据权利要求1或2所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：步骤(1)中，铺粉设备的粉末供给量模拟为：坐标(x,y)处的单位时间单位面积上的粉末供给量Mrh表达式如式(2)：

Mrh＝Ps×sign{sign[Ds²-(x-x1)²]+1}×sign{sign[Ds²-(y-y1)²]+1} (2)

式(2)中：相邻打印道次之间的距离为Wol，激光光斑半径为Rol，激光扫描速度为Vol，粉末厚度为Hp，含空隙的粉末密度为Dpo，Ds＝min(Wol/2,Rol)，Ps＝Hp×Dpo/(2Ds/Vol)。

4.根据权利要求1所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：步骤(3)中，粉末与零件是否焊合的判据如下：

(a)对于送粉设备，粉末焊合与否的判据如式(3)：

Yn＝sign[sign(T-Tm)+1] (3)

式(3)中T为打印处的表面温度，Tm为基材熔点；Yn的值为1时，则有粉末与基材发生焊合；值为零时没有焊合发生；

(b)对于铺粉设备，当粉末熔化深度低于铺粉厚度Hp时，焊合不能发生。

5.根据权利要求1或4所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：步骤(3)中，体积变化的模拟如下：

(a)送粉设备打印过程中，基材高度增加的速度表达式如式(4)：

Vh＝Vhmax×C3 (4)

式(4)中Vhmax＝Mrh/Dp×Yn，Dp为不含空隙粉末密度；C3＝max(C1,C2)；C1＝min{Qol/[Cp×(T-Tp)×Mrh],1}，Qol表示打印处吸收激光功率的面密度，Cp表示粉末比热容，T指打印处的表面温度，Tp指粉末原始温度；C2＝min{[Kp×(T-Tm)/Rp]/[Cf×(Tm-Tp)×Mrh],1}，其中Kp表示粉末热导率，Rp指粉末平均粒度；

(b)铺粉设备打印过程中，基材高度增加的速度表达式如式(5)：

Vh＝Mrh/Dp×Yn (5)。

6.根据权利要求5所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：送粉设备和铺粉设备打印过程中，考虑形状因子的基材增加速度Vhz表达式为式(6)：

Vhz＝Vh×Chz (6)

其中Chz是形状因子的系数；Chz＝1-Chz1×sign[sign(z-Zm×1.1)+1]+Chz1×sign[sign(Zm×0.9-z)+1]，z表示该处的高度，Zm表示熔化区域的平均高度，Chz1是一个小于1的正数，可根据实验结果调整其大小。

7.根据权利要求1或4所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：步骤(3)中，打印过程中零件的体积变化的模拟过程有两种途径：一是利用变形网格模拟打印过程中的体积增加过程，二是利用生死单元进行模拟。

8.根据权利要求1所述的激光3D打印过程的实时模拟方法，其特征在于：步骤(3)中，对于形状尺寸比较复杂的零件，为了减少运算量，提高模拟速度，采用分段模拟的方法对打印过程的体积变化进行模拟。