CN111283192A - 一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法 - Google Patents

一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，步骤一、建立空间粉末床三维几何模型；将粉末模型导入热流体模型中，构建粉末尺度的热流体模型，设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分；构建粉末床熔化过程三维模型控制方程，并根据控制方程和输入参数模拟出熔池；步骤二、针对每一时间步，依据粉体与基材的固相线温度和网格温度，提取熔池三维轮廓数据，包括熔池深度、宽度和长度；步骤三、根据熔池三维轮廓数据获得最终扫描间距，依据控制方程、步骤一的输入参数和最终扫描间距，模拟最终熔池。本发明可以针对粉末床熔化实验研究耗时长、成本高的难点，评估解决方案的可靠性，降低研发成本，优化成形参数。

Description

一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法
技术领域
本发明属于激光增材制造领域，涉及一种孔隙控制方法，尤其涉及一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法。
背景技术
粉末床熔化成形作为3D打印技术的分支，其采用预置粉末床的方式，利用高功率激光束直接熔化全部金属粉末而不需要粘接剂，具有制造快速、成形件致密度高、制造精度高、可成形任意复杂形状的零件等优势。尽管此技术拥有很多独特的优势，且随着激光熔化技术的飞速发展，该成形工艺已经开始商业化推进，然而现阶段所制造的部件中仍会存在一定的问题，如变形、开裂、孔隙等结构缺陷。在粉末床熔融过程中，熔池内部存在着复杂的物理化学现象。对流、传导、蒸发、辐射的热传递影响加上众多界面力共同作用，其中主要包括马兰戈尼力，反冲压力，表面张力以及阻尼力。从而导致熔池内部流动复杂。并且其每一时刻的状态会对微观结构演变，成形质量有着重要影响。所以，对熔池的状态进行监测是一种控制粉末床熔融成形加工质量的必要手段。另一方面，成形件的结构缺陷对部件的机械性能有着不利影响。目前最广泛使用的是实验试错的方式来寻找到合适的工艺参数。但这种方式成本很高且周期较长。这对于加速激光粉末床熔融增材制造的飞速发展是不利的。
发明内容
本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，步骤一、建立空间粉末床三维几何模型；将粉末模型导入热流体模型中，构建粉末尺度的热流体模型，设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分；构建粉末床熔化过程三维模型控制方程，并根据控制方程和输入参数模拟出熔池；步骤二、针对每一时间步，依据粉体与基材的固相线温度和网格温度，提取熔池三维轮廓数据，包括熔池深度、宽度和长度；步骤三、根据熔池三维轮廓数据获得最终扫描间距，依据控制方程、步骤一的输入参数和最终扫描间距，模拟最终熔池。
其中，步骤一的具体方法为：由实验测量结果获取加工所用金属粉末粒径分布。利用离散元算法计算空间离散粒子的运动情况，最后获得粒子处于稳定状态时在平面上的坐标和尺寸信息，从而建立空间粉末床三维几何模型。
然后，所述模型每层计算域划分为基材与粉体所在的固体域和气体域，气体域粗网格划分，粉体和基材区域精细网格划分，采用高斯分布激光跟踪热源，定义粉体与基材的物性参数。
然后，确定具有实时界面追踪的粉末床熔化热流耦合数值计算包括的控制方程：
连续性方程：
Figure BDA0002377847770000021
动量守恒方程：
Figure BDA0002377847770000022
能量守恒方程：
Figure BDA0002377847770000031
其中ρ为密度，
Figure BDA0002377847770000032
为流速，μ是动态粘度，p是压力，
Figure BDA0002377847770000033
为重力加速度，
Figure BDA0002377847770000034
Figure BDA0002377847770000035
为熔融金属流动作用力，分别为马兰戈尼力，蒸汽反冲压力，表面张力和阻尼力。Cp为比热容，k为导热率，T为温度，Qh和Ql分别为热损失和激光能量输入。S为能量方程上源项。
然后，将所述方程进行有限体积离散，求解获得计算域速度场数值。进而得到熔池内部熔融金属的流动速度值。
然后，定义体积分数变量α，在每一时刻，若α＝1，则单元内部为金属域，若α＝0，则单元内部为气体域。若0＜α＜1，则网格单元内为气体与金属混合域。有VOF方程：
Figure BDA0002377847770000036
在每一时刻，粉末床与激光相互作用，当粉末温度超过其固相线温度则会转换为液态，在熔池流场作用下流动。气体和金属界面不断变化，通过求解方程获得网格上每一节点的α值来区分气态区域和金属相区域。在后处理软件中根据α值重构气体金属界面，以此精确地表征经过熔化凝固后的部件表面形貌，测试其粗糙度。通过后处理工具切开模型表征凝固道内部的孔隙缺陷。
其中，步骤二还可以基于上述预测的凝固道内部孔隙尺寸与分布进行定性与定量分析，为实操提供更直观准确地预测结果。统计孔隙沿着X轴方向的长度、在XOY平面的截面积以及长度与宽度的比值(宽度方向为沿着Y轴方向测得的孔隙尺寸)。分布位置以及形状利用后处理工具在凝固道内部根据α值重构。
进一步，本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，最终扫描间距为步骤二得到的熔池宽度的45-50％。
进一步，本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，熔池长度的提取方法：提取所有网格的温度值；对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的X轴坐标值；最大X轴坐标值与最小X轴坐标值的差值即为熔池长度。
进一步，本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，熔池宽度的提取方法：提取所有网格的温度值；对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的Y轴坐标值；最大Y轴坐标值与最小Y轴坐标值的差值即为熔池宽度。
进一步，本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，熔池深度的提取方法：提取所有网格的温度值；对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的Z轴坐标值；最大Z轴坐标值与最小Z轴坐标值的差值即为熔池深度。
其中，步骤二的具体操作为：在每一时间步计算出温度场结果，得到每一时刻熔池的温度数据。根据粉末床材料类型确定粉体与基材的固相线温度。通过温度确定属于熔池范围轮廓的网格，再以激光前进方向为X轴、垂直于激光前进方向为Y轴，提取熔池网格的坐标，进而通过计算获得激光扫描过程中熔池长度、宽度和深度的变化情况。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，是一种基于通过建立空间模型和控制方程模拟熔池技术，从而计算熔池的实时尺寸，再一步获得无孔隙多道扫描熔池的工艺参数的方法。
首先，本发明于算法中实现熔融金属流动的所有界面力，通过实时界面追踪技术，每一时刻数值解析粉末颗粒与激光束之间的相互作用，可以准确预测熔池形貌以及沉积金属结构，也可以很好地描述粉末床熔化构件制造的整体情况，为后续熔池形貌数据的计算及输入参数的确定提供良好的基础条件。
其次，本发明可以对实时熔池行为进行监控，包括温度范围、轮廓形貌和内部流体运动情况。可用于预防打印缺陷，减少对实验设备的依赖。
此外，本发明可以针对粉末床熔化实验研究耗时长、成本高的难点，评估解决方案的可靠性，降低研发成本，优化成形参数，为科学研究与工业生产提供理论指导。
附图说明
图1是粉末颗粒随机下落过程图；
图2是刮刀铺粉过程示意图；
图3是网格划分方案示意图；
图4是初始相设置图；
图5是熔池流场图；
图6是熔池轮廓图；
图7是凝固试样内部缺陷图；
图8是熔池尺寸演变曲线；
图9是孔隙尺寸统计图；
图10是孔隙形状与分布位置示意图；
图11是优化前后凝固轨道的截面空隙分布；
图12是优化参数下的凝固试样内部截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法：
步骤一、建立空间粉末床三维几何模型；将粉末模型导入热流体模型中，构建粉末尺度的热流体模型，设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分；构建粉末床熔化过程三维模型控制方程，并根据控制方程和输入参数模拟出熔池。具体方法为：
建立粉末床三维几何模型。如图1和2所示，根据计算要求定义粉末颗粒的参数(摩擦系数、粒径分布、堆积高度等)。在这一过程中，确定需要预测的结构尺寸范围来构建基板的尺寸。另一方面，所生成的粉末颗粒的大小与制造时所用粉末颗粒大小相一致。在初始时刻每个粒子会有一个坐标值。在每个时间步得到粒子的接触力，由牛顿第二定律更新加速度，从而得到速度值。然后计算出空间所有粒子的新的坐标，循环反复，直至粒子处于稳定状态，最终获得具有一定厚度的粉末床模型。此处的厚度通过调节刮刀的高度来实现，其具体的数值与制造加工时的粉末床设定相符合。
设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分。具体包括：利用离散单元算法生成随机颗粒分布模型后，将几何颗粒模型添加至热流体初始模型中从而建立粉末床三维几何模型，所述模型采用高斯分布激光跟踪热源，其具有中心区域能量密度高，外侧逐渐降低的特点。方程由下式定义。
Figure BDA0002377847770000071
其中f为吸收率，R为激光半径，(xo，y0)为激光束中心坐标。定义初始温度，速度，粉体与基材物性参数的温度相关性，如下表：
Figure BDA0002377847770000072
输入参数如下表所示：
Figure BDA0002377847770000081
如图3所示，气体域采用粗网格划分，粉体和基材区域精细网格划分，网格尺寸需满足可以表示几何颗粒的几何形貌。熔池区域网格精细，为了在提高计算效率的同时使得计算结果更为精确。
如图4所示，为了表征自由界面，在每个单层计算域划分为基材与粉体所在的固体域和上方气体域。定义体积分数α，在每一时刻，若α＝1，则网格单元内部为金属域，若α＝1，则网格单元内部为气体域。若0＜α＜1，则网格单元内为气体与金属混合域。图中深色区域即为金属区域，浅色区域为气体区域。
构建并求解粉末床熔化过程三维模型控制方程。为获得粉末床熔化过程的温度场及流场结果，需建立质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程：
质量守恒方程：
Figure BDA0002377847770000082
动量守恒方程：
Figure BDA0002377847770000083
能量守恒方程：
Figure BDA0002377847770000084
其中ρ为密度，
Figure BDA0002377847770000085
为流速，μ是动态粘度，p是压力，
Figure BDA0002377847770000086
为重力加速度，
Figure BDA0002377847770000087
Figure BDA0002377847770000091
为熔融金属流动作用力，分别为马兰戈尼力，蒸汽反冲压力，表面张力和阻尼力。Cp为比热容，k为导热率，T为温度，Qh和Ql分别为热损失和激光能量输入。S为能量方程上源项。将上述方程进行有限体积离散，确定每一时间步的大小。
如图5所示，求解获得计算域速度场数值，进而得到熔池内部熔融金属的流动速度值。
如图6和7所示，在每一时刻，通过求解方程获得网格上每一节点的α值。在后处理软件中根据α值重构气固界面，精确地表征经过熔化凝固后的部件表面形貌，通过后处理工具切开模型表征凝固道内部的孔隙缺陷。
步骤二、针对每一时间步，依据粉体与基材的固相线温度和网格温度，提取熔池三维轮廓数据，包括熔池深度、宽度和长度。
其中，熔池长度的提取方法：提取所有网格的温度值；对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的X轴坐标值；最大X轴坐标值与最小X轴坐标值的差值即为熔池长度。
熔池宽度的提取方法：提取所有网格的温度值；对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的Y轴坐标值；最大Y轴坐标值与最小Y轴坐标值的差值即为熔池宽度。
池深度的提取方法：提取所有网格的温度值；对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的Z轴坐标值；最大Z轴坐标值与最小Z轴坐标值的差值即为熔池深度。
具体的，在每一时间步计算出温度场结果，得到每一时刻熔池的温度数据。根据粉末床材料类型确定粉体与基材的固相线温度。以激光前进方向为X轴，垂直于激光前进方向为Y轴。在每一时刻，计算域中所有网格的温度值，统计所有温度值超过粉体与基材固相线温度的网格，并比较其|X|的大小，记录最大值X1和最小值X2，通过|X1|-|X2|获得熔池长度。类似的，在Y方向和Z方向用同样的方法通过|Y1|-|Y2|和|Z1|-|Z2|获得熔池的宽度和深度数据。记录下每一次计算得到的熔池长度、宽度和深度值，结果如图8所示。
如图9所示，横坐标为统计所得的孔隙在X方向的长度，截面积为左侧Y轴，右侧Y轴表示孔隙长度/宽度。测量在ImageJ软件中进行。孔隙的形状与分布如图10所示，位置分布于每两个扫描道之间，形状不规则。
步骤三、根据熔池三维轮廓数据获得最终扫描间距，依据控制方程、步骤一的输入参数和最终扫描间距，模拟最终熔池。其中，最终扫描间距为步骤二得到的熔池宽度的45-50％。
定性定量分析步骤一预测的内部孔隙与粗糙表面的产生原因，通过采用将扫描间距减小至熔池宽度(100-110微米)的45-50％，增大扫描道之间的重叠面积的方式来消除孔隙。最终熔池的输入参数如下表所示：
Figure BDA0002377847770000101
如图11左图所示，优化前的凝固道与基板平面之间存在空隙区域，在图中标出。若需要达到消除孔隙的目的，需要减少扫描道之间的距离直到消除此空隙区域。这里基于熔池的尺寸，扫描间距调整至50μm，第二道的熔池能完全覆盖两条扫描道与基板之间的空隙区域。
通过重复步骤一，获得上述优化输入参数下的熔池内部质量，如图11与右图和图12所示，内部孔隙得到消除，呈现致密状态。

Claims (5)

1.一种激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，其特征在于：
步骤一、建立空间粉末床三维几何模型；
将粉末模型导入热流体模型中，构建粉末尺度的热流体模型，设置计算域的初始和边界条件，进行网格划分；
构建粉末床熔化过程三维模型控制方程，并根据控制方程和输入参数模拟出熔池；
步骤二、针对每一时间步，依据粉体与基材的固相线温度和网格温度，提取熔池三维轮廓数据，包括熔池深度、宽度和长度；
步骤三、根据熔池三维轮廓数据获得最终扫描间距，依据控制方程、步骤一的输入参数和最终扫描间距，模拟最终熔池。
2.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述最终扫描间距为步骤二得到的所述熔池宽度的45-50％。
3.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，其特征在于：
其中，步骤二中，所述熔池长度的提取方法：
提取所有网格的温度值；
对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的X轴坐标值；
最大X轴坐标值与最小X轴坐标值的差值即为所述熔池长度。
4.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，其特征在于：
其中，步骤二中，所述熔池宽度的提取方法：
提取所有网格的温度值；
对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的Y轴坐标值；
最大Y轴坐标值与最小Y轴坐标值的差值即为所述熔池宽度。
5.根据权利要求1所述的激光粉末床熔融增材制造熔池监测与孔隙控制方法，其特征在于：
其中，步骤二中，所述熔池深度的提取方法：
提取所有网格的温度值；
对于温度大于粉体与基材固相线温度的网格，提取各网格的Z轴坐标值；
最大Z轴坐标值与最小Z轴坐标值的差值即为所述熔池深度。
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