[發(fā)明專(zhuān)利]一種激光粉末床熔融增材制造熔池監(jiān)測(cè)與孔隙控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010073433.5
• 申請(qǐng)日: 2020-01-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111283192B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋輝亮;劉婷婷;曹洋;廖文和
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B22F10/28
• 分類(lèi)號(hào): B22F10/28;B22F10/85;B22F10/31;G06F30/20;B33Y10/00;B33Y40/00;B33Y50/02;G06F111/10
• 代理公司: 南京鐘山專(zhuān)利代理有限公司 32252
• 代理人: 劉佳慧

本發(fā)明公開(kāi)了一種激光粉末床熔融增材制造熔池監(jiān)測(cè)與孔隙控制方法，步驟一、建立空間粉末床三維幾何模型；將粉末模型導(dǎo)入熱流體模型中，構(gòu)建粉末尺度的熱流體模型，設(shè)置計(jì)算域的初始和邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；構(gòu)建粉末床熔化過(guò)程三維模型控制方程，并根據(jù)控制方程和輸入?yún)?shù)模擬出熔池；步驟二、針對(duì)每一時(shí)間步，依據(jù)粉體與基材的固相線(xiàn)溫度和網(wǎng)格溫度，提取熔池三維輪廓數(shù)據(jù)，包括熔池深度、寬度和長(zhǎng)度；步驟三、根據(jù)熔池三維輪廓數(shù)據(jù)獲得最終掃描間距，依據(jù)控制方程、步驟一的輸入?yún)?shù)和最終掃描間距，模擬最終熔池。本發(fā)明可以針對(duì)粉末床熔化實(shí)驗(yàn)研究耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的難點(diǎn)，評(píng)估解決方案的可靠性，降低研發(fā)成本，優(yōu)化成形參數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光增材制造領(lǐng)域，涉及一種孔隙控制方法，尤其涉及一種激光粉末床熔融增材制造熔池監(jiān)測(cè)與孔隙控制方法。

背景技術(shù)

粉末床熔化成形作為3D打印技術(shù)的分支，其采用預(yù)置粉末床的方式，利用高功率激光束直接熔化全部金屬粉末而不需要粘接劑，具有制造快速、成形件致密度高、制造精度高、可成形任意復(fù)雜形狀的零件等優(yōu)勢(shì)。盡管此技術(shù)擁有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，且隨著激光熔化技術(shù)的飛速發(fā)展，該成形工藝已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化推進(jìn)，然而現(xiàn)階段所制造的部件中仍會(huì)存在一定的問(wèn)題，如變形、開(kāi)裂、孔隙等結(jié)構(gòu)缺陷。在粉末床熔融過(guò)程中，熔池內(nèi)部存在著復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象。對(duì)流、傳導(dǎo)、蒸發(fā)、輻射的熱傳遞影響加上眾多界面力共同作用，其中主要包括馬蘭戈尼力，反沖壓力，表面張力以及阻尼力。從而導(dǎo)致熔池內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜。并且其每一時(shí)刻的狀態(tài)會(huì)對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變，成形質(zhì)量有著重要影響。所以，對(duì)熔池的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一種控制粉末床熔融成形加工質(zhì)量的必要手段。另一方面，成形件的結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)部件的機(jī)械性能有著不利影響。目前最廣泛使用的是實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)的方式來(lái)尋找到合適的工藝參數(shù)。但這種方式成本很高且周期較長(zhǎng)。這對(duì)于加速激光粉末床熔融增材制造的飛速發(fā)展是不利的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種激光粉末床熔融增材制造熔池監(jiān)測(cè)與孔隙控制方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種激光粉末床熔融增材制造熔池監(jiān)測(cè)與孔隙控制方法，步驟一、建立空間粉末床三維幾何模型；將粉末模型導(dǎo)入熱流體模型中，構(gòu)建粉末尺度的熱流體模型，設(shè)置計(jì)算域的初始和邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；構(gòu)建粉末床熔化過(guò)程三維模型控制方程，并根據(jù)控制方程和輸入?yún)?shù)模擬出熔池；步驟二、針對(duì)每一時(shí)間步，依據(jù)粉體與基材的固相線(xiàn)溫度和網(wǎng)格溫度，提取熔池三維輪廓數(shù)據(jù)，包括熔池深度、寬度和長(zhǎng)度；步驟三、根據(jù)熔池三維輪廓數(shù)據(jù)獲得最終掃描間距，依據(jù)控制方程、步驟一的輸入?yún)?shù)和最終掃描間距，模擬最終熔池。

其中，步驟一的具體方法為：由實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果獲取加工所用金屬粉末粒徑分布。利用離散元算法計(jì)算空間離散粒子的運(yùn)動(dòng)情況，最后獲得粒子處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)在平面上的坐標(biāo)和尺寸信息，從而建立空間粉末床三維幾何模型。

然后，所述模型每層計(jì)算域劃分為基材與粉體所在的固體域和氣體域，氣體域粗網(wǎng)格劃分，粉體和基材區(qū)域精細(xì)網(wǎng)格劃分，采用高斯分布激光跟蹤熱源，定義粉體與基材的物性參數(shù)。

然后，確定具有實(shí)時(shí)界面追蹤的粉末床熔化熱流耦合數(shù)值計(jì)算包括的控制方程：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

其中ρ為密度，為流速，μ是動(dòng)態(tài)粘度，p是壓力，為重力加速度，為熔融金屬流動(dòng)作用力，分別為馬蘭戈尼力，蒸汽反沖壓力，表面張力和阻尼力。C_p為比熱容，k為導(dǎo)熱率，T為溫度，Q_h和Q_l分別為熱損失和激光能量輸入。S為能量方程上源項(xiàng)。

然后，將所述方程進(jìn)行有限體積離散，求解獲得計(jì)算域速度場(chǎng)數(shù)值。進(jìn)而得到熔池內(nèi)部熔融金屬的流動(dòng)速度值。