FLOW-3D AM 仿真技術(shù)升級，解鎖增材制造熔池的新控制模式

隨著工程師們不斷尋求提高工藝可靠性并減少缺陷，仿真正成為控制金屬增材制造復(fù)雜物理過程的重要工具。南極熊獲悉，在2025年AMUG大會上，F(xiàn)lowScience, Inc.的計(jì)算流體動力學(xué) (CFD) 工程師Garrett Clyma概述了熔池建模如何提供新功能來優(yōu)化激光工藝，而無需承擔(dān)高昂的物理實(shí)驗(yàn)成本。

挑戰(zhàn)的核心在于增材制造過程中金屬的高度局部加熱和快速冷卻。過熱或過熱會導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生孔隙、未熔合和表面不規(guī)則等缺陷。Clyma 解釋道：“由于各種物理場相互作用的復(fù)雜性，控制增材制造中的材料行為極具挑戰(zhàn)性。”

FLOW-3D AM是一個多物理 CFD 平臺，旨在高保真度地捕捉這些現(xiàn)象，使工程師能夠在進(jìn)行昂貴的構(gòu)建實(shí)驗(yàn)之前直觀地看到熔池不穩(wěn)定性的變化并預(yù)防缺陷。

FlowScience 的 Garrett Clyma。攝影：MichaelPetch。

光束整形：工藝穩(wěn)定性的工具

激光光束整形是焊接領(lǐng)域的一種成熟方法，如今在增材制造 (AM) 領(lǐng)域正逐漸普及，成為一種調(diào)整光束空間能量分布的方法。與傳統(tǒng)的高斯分布不同，光束整形能夠更均勻地或有選擇性地將能量分布在整個光束中，從而影響熔池行為和凝固特性。

Clyma 介紹了丹麥技術(shù)大學(xué)Mohamed Bayat 博士團(tuán)隊(duì)開展的一項(xiàng)研究成果，該研究利用 FLOW-3D AM 技術(shù)研究了應(yīng)用于單道鈦合金制造的環(huán)束輪廓。通過橫截面切割和現(xiàn)場 X 射線監(jiān)測驗(yàn)證，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，熔池尺寸誤差遠(yuǎn)低于 10%。

當(dāng)團(tuán)隊(duì)在保持總激光能量恒定的同時改變芯環(huán)功率比時，模擬結(jié)果顯示出清晰的趨勢。環(huán)形光束產(chǎn)生的熔池更寬、更淺，避免了高斯光束特有的深匙孔。Clyma說道：“環(huán)形光束產(chǎn)生的環(huán)形凹陷區(qū)明顯更小、深度也更小，從而形成了更穩(wěn)定的熔池�！�

然而，在更高的激光功率下，不穩(wěn)定性再次出現(xiàn)。模擬預(yù)測了熔池中細(xì)長熔射流的形成和飛濺的噴濺——這些行為隨后被高速X射線成像證實(shí)。

激光粉末床熔合中的空間光束整形：高保真模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，模擬與現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)熔池輪廓。圖片來自愛思唯爾。

擴(kuò)展到任意光束形狀

基于這些結(jié)果，F(xiàn)low Science 開展了一項(xiàng)內(nèi)部研究，探索靜態(tài)和動態(tài)形狀的激光束，包括無限圖案、螺旋和五點(diǎn)陣列等復(fù)雜輪廓。在一臺 10 核臺式機(jī)上，單個模擬通常在 6 小時內(nèi)完成，而最近的并行化發(fā)展使得更大規(guī)模的參數(shù)掃描成為可能。

例如，五點(diǎn)結(jié)構(gòu)將能量集中在離散點(diǎn)上，在小孔模式下可產(chǎn)生較高的穿透深度，但在傳導(dǎo)模式下效率有限。“我們并沒有有效地加熱熔池，而只是加熱了這些單點(diǎn)，”Clyma解釋說，并強(qiáng)調(diào)光束選擇必須與預(yù)期的工作模式相一致。

在螺旋形和無限遠(yuǎn)圖案中觀察到較低的最大熔池速度和更均勻的溫度分布，這表明這些形狀比集中光束可以提供更好的工藝穩(wěn)定性。在所有情況下，強(qiáng)度、溫度、熔池速度和加工速率等指標(biāo)提供了一個一致的框架，用于在進(jìn)行物理試驗(yàn)之前評估權(quán)衡利弊。

“模擬是幫助做出這些決策的非常有用的工具，”Clyma說，并指出激光控制的自由度不斷增加，需要系統(tǒng)的方法來識別有前景的光束策略。

激光粉末床熔合模擬的可視化。圖片來自 Flow Science。

表面張力、光學(xué)效應(yīng)和材料依賴性

AMUG 會議的與會者就FLOW-3D AM 中物理模型的深度提出了詳細(xì)的問題。Clyma 確認(rèn)，諸如隨溫度變化的表面張力、接觸角和激光吸收率等關(guān)鍵因素已被納入模擬。吸收率通常在已發(fā)布的材料數(shù)據(jù)集中缺失，但可以根據(jù)需要將其作為調(diào)整參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

熱物理性質(zhì)通常來源于JMatPro等數(shù)據(jù)庫，這使得模擬能夠反映合金在熔化條件下的具體行為。此外，它還支持對激光反射和多次反射現(xiàn)象進(jìn)行精確建模。

一位參與者稱贊了模擬預(yù)測與實(shí)驗(yàn)觀察之間的高度一致性，特別是在熔池形狀、飛濺形成以及傳導(dǎo)和鎖孔模式之間的轉(zhuǎn)變方面。

實(shí)際權(quán)衡：穩(wěn)定性與滲透性

會議最后討論了不同的光束輪廓如何影響缺陷形成和材料特性。雖然高斯光束由于熱梯度較大，能夠?qū)崿F(xiàn)更深的穿透，并可能形成更細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，但也帶來了更高的飛濺和孔隙風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，環(huán)形光束的穩(wěn)定性更高，峰值溫度更低，但可能會改變凝固模式。

Clyma說：“這實(shí)際上取決于你的預(yù)期目標(biāo)，如果你能夠在模擬中而不是實(shí)驗(yàn)中探索效果，那么優(yōu)勢就會大得多�！�

FLOW-3D AM 提供溫度梯度和冷卻速率等輸出數(shù)據(jù)，這些是微觀結(jié)構(gòu)演變的主要驅(qū)動因素。雖然該軟件目前還不能直接預(yù)測機(jī)械性能，但這些輸出數(shù)據(jù)可以幫助用戶推斷出可能的結(jié)果，例如晶粒尺寸、伸長率和抗沖擊性。

另一位工程師進(jìn)一步指出，更細(xì)小、更具定向性的晶粒（源于高梯度和快速冷卻）通常與機(jī)械性能的提升相關(guān)。FLOW-3D AM 的單元級分辨率通常達(dá)到五百萬個元素或更精細(xì)，可以對這些凝固動力學(xué)進(jìn)行詳細(xì)的局部分析。

隨著模擬能力的不斷擴(kuò)展，增材制造工程師現(xiàn)在擁有強(qiáng)大的工具包來優(yōu)化激光加工策略、減少缺陷并提高打印金屬部件的性能：所有這些都是在機(jī)器上按下“打印”鍵之前完成的。