CN111222256A - 一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，包括：S1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；S2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；S3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；S4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对多组不同工艺参数进行模拟。本发明创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，通过离散元法建立粉床模型，构建传热和熔池驱动力多物理场模型通过对单熔道成型进行数值模拟，得到最终形貌结果；对成型后的单熔道进行评价，分析缺陷现象，为工艺参数的优化提供参考。
Description
技术领域
本发明创造属于激光选区熔化领域，尤其是涉及一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法。
背景技术
激光选区熔化是利用激光束，按照预定路径，将预先铺设在二维截面上的金属粉末熔化，由下而上逐层熔化并凝固形成实体零件；SLM成型中，单熔道最基本的成型单元，单熔道的成型缺陷直接影响最终的产品质量，构建高质量的单熔道是金属制件打印成功的必不可少条件；数值模拟可以直观、快速的预测单熔道成型中产生的缺陷现象，对工艺参数选择提供参考；但现有大部分SLM模拟将金属粉末简化为具有一定特性的连续几何体，无法准确描述粉末颗粒特性，模拟时只考虑传热机制，未考虑熔池驱动力；同时传热考虑因素不全面，对蒸发散热，对流散热未考虑，没有考虑熔池在激光下的流动变形，导致模拟精度不高，无法准确预测熔道产生的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，包括：
S1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；
S2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；
S3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；
S4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对三组不同工艺参数进行模拟。
进一步的，所述步骤S1中建立粉床颗粒模型的具体方法包括：
S11、按真实粉末尺寸及比例构建粉床球形颗粒；
S12、按照真实粉末的填充密度，使粉床球形颗粒充满方形容器中；填充密度为真实粉末在粉床上的振实密度；
进一步的，所述步骤S2的具体方法包括：
S21、粉床球形颗粒模拟材料选择不锈钢材料，颗粒直径范围为10-60μm；
S22、对粉床模型进行网格划分，使得单个网格尺寸为3-7μm，划分网格数量为40-60万；
S23、设置计算中的最小和最大时间步长分别为e-12s、e-8s。
进一步的，所述步骤S21中不锈钢材料选择316L型不锈钢。
进一步的，所述步骤S22中，单个网格尺寸为5μm，划分网格数量为50万。
进一步的，所述步骤S3中热传递模型建立方法为：
S31、采用高斯面热源模型作为热源模型；高斯面热源方程为：
其中：P为激光功率/W；R为激光光斑半径/m；r为熔化区域任意点到激光中心的距离/m；A为吸收率。
S32、根据热吸收、热传导、热对流、热辐射以及蒸发散热，构建传热模型：
其中：ρ为材料密度/g·cm-3；c为材料比热容/J·(K·m3)-1；T为粉床表面温度/K；k为材料热传导系数/W·(K·m)-1；qc为气体的对流换热；
为表面热辐射；qev为蒸发潜热；
S33、定义qc＝hc(T-T0)，其中hc为自然对流系数，hc＝80W/m2；
εr为等效发射系数，σs为Stefan-Boltzmann常数，σs＝5.67×10-8W/(m2k2)，T0为环境温度/K；
S34、定义
M为摩尔质量/g/mol；R为理想气体常数，R＝8.314472J/K/mol；P0为环境压力/Kpa；Tlv为金属熔体的沸点/K；ΔH*为损失的金属蒸气的有效焓/KJ/mol。
进一步的，所述步骤S3中熔池驱动力的多物理场模型具体设定方法为：
S35、根据粉床球形颗粒模拟材料熔液的表面张力，定义熔液的表面张力值，通过软件进行设置；
S36、为模型中熔液增加蒸汽反冲力设定，通过软件进行设置，蒸汽反冲力的方程为：
P0为沸点蒸汽压/Pa；Tlv为沸点温度/K；ΔH*为金属蒸发时的有效焓；
S37、为模型中的粉床球形颗粒及其熔液增加重力设定，重力设定值为当前地理位置的重力均值，通过软件进行设置。
进一步的，所述步骤S4中模拟的具体方法包括：
S41、采用激光光斑半径R＝30μm，单次铺粉一层，粉末层厚为60μm工艺参数固定不变；
S42、采用三组不同工艺参数进行模拟，三组不同工艺参数如下：
a：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.4m/s；
b：激光功率P＝300W，扫描速度v＝1.0m/s；
c：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.0m/s。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，通过离散元法建立粉床模型，构建传热和熔池驱动力多物理场模型通过对单熔道成型进行数值模拟，得到最终形貌结果；对成型后的单熔道进行评价，分析缺陷现象，为工艺参数的优化提供参考。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中粉床颗粒模型结构示意图；
图2为本发明创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中熔道模拟成型过程示意图；
图3为本发明创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中熔道数值模拟成型的结构示意图；
图4为本发明创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中熔道实际打印成型的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，如图1至图4所示，包括：
步骤1：通过EDEM 2017软件建立了一个粉床颗粒模型，首先按真实粉末尺寸及比例构建球形颗粒，其次按照填充密度0.4(粉末在粉床上的振实密度，由粉末厂商提供)充满方形容器中，最后导出颗粒的坐标和半径，进行建模，粉床模型如图1所示，颗粒直径范围为10～60μm，该尺寸为金属粉末颗粒尺寸范围，由粉末厂商提供；EDEM软件用现代化离散元法来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件，本文利用此软件生成离散元颗粒。
步骤2：建立热传递及熔池驱动力的多物理场模型。
热传递分析及模型建立思路如下：
SLM技术的热源是激光，通常将激光输入简化为热源模型；本质上，激光加热材料的过程是高能的自由光子与材料原子发生碰撞的过程，碰撞导致自由光子的热量降低，损失的热量转化为材料原子的振动热量，也就是材料热能。自由光子的热量较低，易被反射难以穿透到材料表面以下较深的位置，仅仅照射在金属材料的表面，因此激光采用平面热源模型；同时激光热源的热流密度近视满足高斯分布，故选用高斯面热源模型；
高斯面热源方程为：
公式中：P为激光功率/W；R为激光光斑半径/m；r为熔化区域任意点到激光中心的距离/m；A为吸收率。
在激光熔化金属粉末形成熔池时，存在复杂的热量交互作用；粉末层首先被激光照射通过热流密度的形式传输热量，然后在吸收这些热量的过程中，温度不断升高，当温度达到材料熔点时，粉末颗粒熔化，熔池形成；与此同时，相互接触的粉末层内部及粉末层和基板之间存在热传导以进行热量交换，而熔池外表面的散热则是借助对流换热和辐射的形式来与环境之间进行热交换；
因此，本发明创造全面考虑激光选区熔化热量传递整个过程，包括热吸收、热传导、热对流、热辐射以及蒸发散热，构建了精确的传热模型：
公式中：ρ为材料密度/g·cm-3；c为材料比热容/J·(K·m3)-1；T为粉床表面温度/K；k为材料热传导系数/W·(K·m)-1；qc为气体的对流换热；
为表面热辐射；qev为蒸发潜热；
其中qc＝hc(T-T0)，hc为自然对流系数，hc＝80W/m2。
εr为等效发射系数，σs为Stefan-Boltzmann常数，σs＝5.67×10-8W/(m2k2)，T0为环境温度/K；
通过将热量传递方程进行二次开发编译，编译结果作为软件调用文件进行运行；熔池驱动力分析及建模思路如下：
金属粉末被高能量激光熔化成金属液体从而流动，因为考虑金属熔液产生的表面张力，查阅资料可得，316L液体时表面张力为0.3；通过对软件设置，定义表面张力值。
激光热量输入较高时，达到金属熔液的蒸发温度，产生蒸汽反冲力并对液面产生向下的作用，对熔池流动产生较大影响；蒸汽反冲力的方程为：
P0为沸点蒸汽压/Pa；Tlv为沸点温度/K；ΔH*为金属蒸发时的有效焓；将蒸汽反冲力方程可以进行单独二次开发编译，并将编译结果作为软件调用文件进行运行。
金属粉末及熔液需要考虑重力；重力通过对软件进行设置，重力值可以定义为-9.8m/s2。
本发明创造对SLM过程中产生物理现象考虑充分，并给出其控制方程，进行二次开发编译及软件设置，建立了精确的多物理模型，能够准确预测激光选区熔化单熔道成型。
步骤3：材料选择316L不锈钢，并将其对于参数在软件中进行设置。对粉床模型进行网格划分，使得单个网格尺寸为5μm，划分网格数量50万左右时，计算机计算结果比较精确且计算时间较短；设置计算中的最小和最大时间步长分别为e-12s、e-8s，可使得计算得到收敛，同时计算效率最高，准确表达模拟结果，SLM单熔道模拟过程如图3所示。
在激光扫描过程中从0μs到600μs，当激光功率P＝250W，扫描速度V＝1.0m/s时，展示熔池的熔化和凝固过程(含温度场和流场)。
当t＝0μs时，激光打开，照射到粉末颗粒表面，面热源输入热量值，粉末颗粒吸收激光热量并向周围区域传递。
当t＝70μs时，粉床有足够长时间吸收热量，激光照射下的区域达到熔化温度，粉末颗粒由固相变为液相，熔池形成。此时，熔池中心温度高于熔池边缘温度，在温度梯度而导致表面张力的作用下，熔液从熔池中心流向熔池边缘。
当t＝320μs时，激光照射下的区域温度最高，蒸汽反冲力对熔池表面作用，造成向下的内陷，溶液流向基板，形成统一的熔池。由于熔池中心和熔池尾端存在温度梯度，在表面张力的作用下，熔液向熔池尾端流去，流动逐渐达到稳定状态。
当t＝600μs时，随着热量的消散，由温差导致的表面张力使熔液开始向较低温度位置移动，熔液流动的速度矢量指向温度较低的熔池上方区域，并逐渐凝固，形成熔道。通过建立的多物理模型，直观展示了SLM中熔道成型的全过程，为预测缺陷产生提供了理论基础。
步骤4：采用激光光斑半径R＝30μm，单次铺粉一层，粉末层厚为60μm工艺参数固定不变，选择SLM中重点研究参数激光功率和扫描速度为对象分别对三组工艺参数进行模拟，三组工艺参数如下：a：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.4m/s；b：激光功率P＝300W，扫描速度v＝1.0m/s；c：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.0m/s；
模拟结果如图3所示；图a中，模拟结果为熔道产生不平直缺陷现象，影响成型质量；图b中，模拟结果为产生飞溅的金属溶液现象，产生的飞溅金属溶液易落在熔道附近形成金属小球，影响熔道成型质量，易影响下一道熔道的成型及下一层粉末的熔化成型；图c中，熔道形貌较为平直，无缺陷现象产生，熔道成型质量较好。
步骤5：可采用步骤4中模拟过程中工艺参数相同的三组典型工艺参数进行实际单熔道成型打印，使用OLYMPUS GX51光学金相显微镜观察实际的熔道，熔道形貌如图4所示。a中熔道出现不平直现象，b中熔道周围出现大量飞溅金属液体凝固产生的金属球状物，c中熔道形貌较好。
实际成型结果与模拟结果相符合，证明这种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法的准确性，多物理模型建立的精确性；本发明创造通过建立离散元粉床颗粒模型，建立热传递以及熔池驱动力的多物理场模型；单熔道成型模拟：确定材料参数，对模型进行网格划分，进行时间步长设置，运行模拟；单熔道缺陷分析：加载模拟结果，对模拟结果进行渲染，分析单熔道成型缺陷及形貌；在简化热应力边界条件同时保证模拟的准确性，为激光选区熔化单熔道成型工艺参数优化提供参考。
本发明创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，通过离散元法建立粉床模型，构建传热和熔池驱动力多物理场模型通过对单熔道成型进行数值模拟，得到最终形貌结果；对成型后的单熔道进行评价，分析缺陷现象，为工艺参数的优化提供参考。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，包括：
S1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；
S2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；
S3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；
S4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对多组不同工艺参数进行模拟。
2.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中建立粉床颗粒模型的具体方法包括：
S11、按真实粉末尺寸及比例构建粉床球形颗粒；
S12、按照真实粉末的填充密度，使粉床球形颗粒充满方形容器中；填充密度为真实粉末在粉床上的振实密度；
S13、导出粉床球形颗粒的坐标和半径，进行建模。
3.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法包括：
S21、粉床球形颗粒模拟材料选择不锈钢材料，颗粒直径范围为10-60μm；
S22、对粉床模型进行网格划分，使得单个网格尺寸为3-7μm，划分网格数量为40-60万；
S23、设置计算中的最小和最大时间步长分别为e-12s、e-8s。
4.根据权利要求3所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S21中不锈钢材料选择316L型不锈钢。
5.根据权利要求3所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S22中，单个网格尺寸为5μm，划分网格数量为50万。
6.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中热传递模型建立方法为：
S31、采用高斯面热源模型作为热源模型；高斯面热源方程为：
其中：P为激光功率/W；R为激光光斑半径/m；r为熔化区域任意点到激光中心的距离/m；A为吸收率。
S32、根据热吸收、热传导、热对流、热辐射以及蒸发散热，构建传热模型：
其中：ρ为材料密度/g·cm-3；c为材料比热容/J·(K·m3)-1；T为粉床表面温度/K；k为材料热传导系数/W·(K·m)-1；qc为气体的对流换热；
为表面热辐射；qev为蒸发潜热；
S33、定义qc＝hc(T-T0)，其中hc为自然对流系数，hc＝80W/m2；
εr为等效发射系数，σs为Stefan-Boltzmann常数，σs＝5.67×10-8W/(m2k2)，T0为环境温度/K；
S34、定义
M为摩尔质量/g/mol；R为理想气体常数，R＝8.314472J/K/mol；P0为环境压力/Kpa；Tlv为金属熔体的沸点/K；ΔH*为损失的金属蒸气的有效焓/KJ/mol。
7.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中熔池驱动力的多物理场模型具体设定方法为：
S35、根据粉床球形颗粒模拟材料熔液的表面张力，定义熔液的表面张力值，通过软件进行设置；
S36、为模型中熔液增加蒸汽反冲力设定，通过软件进行设置；蒸汽反冲力的方程为：
P0为沸点蒸汽压/Pa；Tlv为沸点温度/K；ΔH*为金属蒸发时的有效焓；
S37、为模型中的粉床球形颗粒及其熔液增加重力设定，重力设定值为当前地理位置的重力均值，通过软件进行设置。
8.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S4中进行模拟的具体方法包括：
S41、采用激光光斑半径R＝30μm，单次铺粉一层，粉末层厚为60μm工艺参数固定不变；
S42、采用三组不同工艺参数进行模拟，三组不同工艺参数如下：
a：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.4m/s；
b：激光功率P＝300W，扫描速度v＝1.0m/s；
c：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.0m/s。
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