通過了解熱量以改善3D列印的模型面世

3D列印

也稱為增材製造，是一種用於通過逐層構建實體形狀來完成創建的技術。它現在用於廣泛的應用，包括製造用於航空太空梭的渦輪葉片等高精度零件。儘管材料成本高，但這種技術越來越受歡迎，因為從數字設計到物理組件的飛躍很快、步驟少、易於定製，並且可以使用各種材料。

模擬在第一次獲得正確的製造方面起著至關重要的作用，精確的數值模型構成了模擬的基礎。現在，來自印度理工學院孟買的Amitava De教授和來自美國賓夕法尼亞州立大學的Tarashankar DebRoy博士領導的研究小組已經開發出一種模型，用於估計使用「粉末床熔合」增材製造工藝製造的部件的熱性能和結構性能。

在粉末床熔合方法中，部件可以由多種材料製成，例如金屬、陶瓷和塑料。因此，它在醫療和航空航天應用中很受歡迎。它涉及在層中沉積金屬粉末合金並使用激光束熔化特定區域以獲得所需形狀。使用該方法製造的部件的結構特性（例如強度和硬度）隨著不同區域的熱量變化而變化。

人們可以通過實驗或反覆試驗來選擇合適的激光束功率、掃描速度和策略，合適粉末的正確尺寸和分布及其組成，以獲得所需的性能。然而，這種方法成本高、耗時且通常不可靠。該問題的一個解決方案是通過基本數學模型理解這些因素對製造部件的最終結構和性質的影響。隨後，基於這些見解，必須進行一系列集中的實驗以優化最終的加工條件。同一組研究人員先前的研究強調了這種方法。在這項研究中，研究人員提出了一個數值模型，用戶可以在其中指定操作參數以獲得最終組件的所需屬性。

該模型的一個關鍵特點是考慮了鐵水的對流混合，更接近實際。因此，與那些僅考慮熱傳導的模型相比，這些模型提供了更可靠的熱歷史和逐層3D構建剖面的結果。

該模型基於金屬合金粉末層的加熱、冷卻和凝固，將適當的熱性質值（例如導熱性）分配給部件的各個區域。它計算熔融金屬的溫度分布、壓力和流速，然後可用於預測組件的最終結構。

通過數值模型計算的溫度圖和熔池尺寸提供了可靠的溫度值、冷卻速率和凝固參數值，然後可用於控制過程。例如，熔池的尺寸隨著激光運動速度的增加而減小。因此，快速移動的激光將導致小且快速固化的沉積，這可能有益於具有非常複雜設計的部件的3D列印。同樣，鋁合金在相同的設置下達到最低溫度，因為它非常快地擴散熱量。相比之下，具有低熱擴散能力的不鏽鋼可以實現非常高的溫度。

研究人員使用該模型研究了四種常用的鋼、鈦、鎳和鋁合金的粉末床熔合工藝。這些合金在相似的熱條件下表現不同，並且該模型可以捕獲其預測中的這種變化。在相同的操作條件下，鋁合金具有最大的熔池，這是由於其低密度和液相溫度——在這個溫度下它是完全液態的。該特性有助於與後續金屬層更好地融合。由於不鏽鋼合金具有最小的熔池，因此必須減小連續激光運動線之間的空間以確保適當的熔合，這增加了構建部件所花費的時間。

沉積粉末層的基板比粉末更好地傳導熱量。當它從第一層竊取熱量時，熔化的金屬池就會變小。隨著添加更多層，基板與層的距離增加，減少了基板吸收的熱量份額並增加了熔融金屬池的尺寸。對於鋁等合金，可以將熱量更快地傳遞到頂部的層，這意味著整個結構的熔合更好，而對於具有低擴散能力的不鏽鋼，熔合將更弱。

當激光在每層粉末上逐行移動時，一側的熔融金屬吸收一些熱量，導致粉末的加熱較少，而在一層中的後續線路的熔融質量較小。必須調節每條激光運動線之間的速度和空間，以確保熔融金屬與先前熔化的層熔合良好。

因此，所提出的模型可以為不同合金的3D列印提供精確的參數，而無需反覆試驗。它還可以提供製造過程的全面視圖，並幫助生產高質量的組件。

來源：3D列印商情

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