基于自適應網格法的選擇性激光熔化過程溫度場效應分析

供稿人:趙懿臻 張航

選擇性激光熔融（SLM）技術是一種很有前途的增材制造技術。但是真正理解SLM過程便需要理解金屬粉末、熱傳遞以及溫度場形成之間的相互關系。華中科技大學段偉等人模擬了TC4粉體空心圓筒SLM過程中的溫度場分布。基于自適應網格技術構建形狀零件，并分析溫度隨時間的變化。

本研究采用了一種改進的SLM過程溫度場模擬模型。包括粉末向致密子模型的轉變和移動體積高斯分布熱源子模型。同時為了提高計算效率，在模擬過程中，重要區(qū)域的網格重構確保仿真精度，并且非關鍵區(qū)域網格粗化減少了數據存儲和輸出。因此，仿真中采用了全螺紋樹（Fully threaded tree）技術作為自適應網格策略。網格細化或粗化依賴于實時某一區(qū)域的溫度。如果溫度更高比一個設定值，特定區(qū)域的網格將細化，否則粗化，如圖1(a)。圖1(b)(c)顯示了模擬結果中圓桶內外圈分布情況。仿真結果表明，在筒體零件SLM過程中，內粉床溫度是明顯高于外部的。

圖1：(a)自適應網格的細化和粗化(b) 粉床SLM過程中網格的填充和粗化 (c) 粉床表面測點溫度

熔池在SLM過程中不同時刻的模擬結果如圖2所示。從圖2(a)(b)中可以十分清楚地看到熔池的基本形貌，其熔池直徑在60um左右，深度為30um。而且熔池存在著溫度不對稱性。從圖2(c)中可以看出，靠近圓桶內壁的熔池溫度場各深度的溫度點普遍比靠近外部的溫度點高了200度。這是空心圓桶內部的保溫效果所導致的結果。

圖2：(a)去除粉末層的SLM過程中網格的填充和粗化(b)熔池溫度場(c)熔池深度方向的點測溫度

本研究將FTT自適應網格技術應用于SLM溫度場模擬。對SLM過程中的網格細化、粗化和熔池進行了研究。此法可以極大地提高計算效率和精度，對于解決復雜構件SLM過程的溫度場模擬問題提供了新的解決思路。

參考文獻：
Duan W, Yin Y J, Zhou J X . Temperature field simulations during selective laser melting process based on fully threaded tree[J]. China Foundry, 2017, 14(5):405-411.

供稿人:趙懿臻 張航
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室