分析选择性激光熔化技术中激光束和物质的相互作用

Bridget Cunningham 2017年 7月 4日

目前,选择性激光熔化(selective laser melting,简称 SLM)技术已让许多制造工艺从中获益。将这一技术与高熔点材料结合使用,其应用潜力是显而易见的。不过人们也必须克服一些挑战,例如高熔点材料的工艺窗口要窄得多。为了全面了解材料在选择性激光熔化中的特性,一个研究小组建立了模型来分析激光束与物质相互作用的热与流体动力学。他们的研究成果进一步推动了选择性激光熔化技术在难熔金属加工方面的广泛应用。

将选择性激光熔化技术和难熔金属结合的应用前景

几年前,我们在一篇博客中讨论了选择性激光烧结如何以不可阻挡之势征服了 3D 打印世界。从那时起,这种快速成型技术在各个行业越来越受欢迎。另一种紧密相关的技术——选择性激光熔化也享受了相同的待遇,这一技术使用激光束熔化粉末状材料,借此制作 3D 零件。

selective laser melting schematic 分析选择性激光熔化技术中激光束和物质的相互作用
选择性激光熔化工艺的示意图。图片由 Materialgeeza 提供。在 CC BY-SA 3.0 授权下使用,通过维基共享资源发布。

铜、铝和不锈钢,这些只是 SLM 技术使用的一部分金属。近年来,研究人员在实验中尝试加入高熔点材料。下图中的钼就是一个例子。

molybdenum 分析选择性激光熔化技术中激光束和物质的相互作用
钼是一种有望用于 SLM 的高熔点材料。图片由 Alchemist-hp 提供。在 Free Art License 1.3 授权下使用,通过维基共享资源发布。

新材料带来了新挑战:难熔金属的工艺窗口明显更窄。这意味着人们需要进一步分析认识高熔点材料在 SLM 过程中的特性。为了解决这个多物理场问题,奥地利 Plansee 的研究人员将目光转向了 COMSOL® 软件。

使用多物理场仿真模拟 SLM 中激光束与物质的相互作用

为了分析 SLM 中激光束与物质的相互作用,研究人员创建了一个 COMSOL Multiphysics 模型。模型几何由一个简单的立方金属粉末层组成,被放置在一块暴露在 Gaussian 激光束下的大型基板的顶部。值得注意的是,模型利用了激光运动方向上的对称性。

meshed model 分析选择性激光熔化技术中激光束和物质的相互作用
剖分网格后的模型几何。图片由 K.-H. Leitz、P. Singer、A. Plankensteiner、B. Tabernig、H. Kestler 和 L.S. Sigl 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文

为了精确地模拟激光束与物质的相互作用,他们考虑了下列因素:

  • 激光辐射的吸收
  • 传导和对流换热
  • 相变(熔化和固化,蒸发和冷凝)
  • 表面张力效应

为了研究上述因素,小组成员使用“传热模块”和“CFD 模块”耦合了热与流体动力学。在这个示例中,他们忽略了吸收对角度的依懒性、遮蔽效应和各种反射现象。

在分析中,金属粉末由两种不同的材料表示:不锈钢和钼。研究人员比较了每种材料在 SLM 工艺的多个阶段的体积积聚情况。

从下图可以看出,钢和钼的过程动力学存在明显的区别。使用钢时,会出现长长的熔池,且蒸发带来了显著的效果;使用钼时,熔池大小和激光焦点尺寸相当,且温度远低于引起蒸发的温度。这种差异可以追溯到每种材料的相变温度和热导率。由于自身的高导热性,钼在 SLM 中的热损耗更大,因此限制了熔池的尺寸。这些热量损耗结合钼的高蒸发温度,阻止了蒸发的发生。

selective laser melting of steel 分析选择性激光熔化技术中激光束和物质的相互作用
selective laser melting of molybdenum 分析选择性激光熔化技术中激光束和物质的相互作用

钢(左)和钼(右)在选择性激光熔化过程中的体积积聚情况。图片由 K.-H. Leitz、P. Singer、A. Plankensteiner、B. Tabernig、H. Kestler 和 L.S. Sigl 提供,摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 慕尼黑站发表的论文。

上述结果让研究人员更好地了解选择性激光熔化的动力学,以及受使用材料影响的过程特性。由于该模型的核心描述了激光束与物质的相互作用,因此可以用于研究其他涉及激光的制造工艺。

了解有关模拟激光-材料相互作用的更多信息


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