一种激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法技术

本发明专利技术属于金属材料增材制造技术领域，具体为一种激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，利用多物理场模型模拟激光粉末床熔融过程中的热场分布和凝固过程，调节优化激光粉末床熔融工艺，最终获取较优的激光扫描策略；本发明专利技术基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，相比于传统的以经验和试错为主实验探索，周期更短，成本更低，效率更高，同时，通过优化后的激光重熔和扫描策略的耦合工艺，可以提高熔池稳定性，优化熔体流动性，提高实际打印质量。印质量。印质量。

【技术实现步骤摘要】
一种激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法


[0001]本专利技术涉及金属材料增材制造
，具体为一种激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，更具体地，涉及一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法。

技术介绍

[0002]激光粉末床熔融技术由于其优异的灵活性和较高的成形精度，被越来越多地用于复杂结构件的制备。然而，激光粉末床熔融过程复杂，涉及到传热、凝固、对流、相变、蒸发等物理过程，熔池流动状态影响着实际打印件的孔隙缺陷，打印件孔隙含量对合金强度和塑性起着决定作用。打印过程中影响熔池流动的因素众多，包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描间距、扫描策略等重要工艺参数；传统的增材制造模式工艺优化主要以经验和试错为主，这对于新材料的研发是不可取的，而且会导致研发成本的增高；而金属增材制造模拟能进一步缩短增材制造新材料研发周期，降低成本，提高研发效率和产品质量。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术存在的问题，本专利技术的主要目的是提出一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，建立一种基于计算流体动力学和传热学的多物理场模型，根据温度场变化和冷却情况调整优化打印策略，提高熔池稳定性，优化熔体流动性，通过对增材制造多道多层熔融过程中粉末的熔凝过程和热场分布的模拟仿真，调节优化激光粉末床熔融工艺，最终获取较优的激光扫描策略，对实际激光粉末床熔融过程具有指导意义。
[0004]为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
[0005]一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，包括如下步骤：
[0006]S1.建立多物理场模拟模型：赋予模型物理模块；添加流体属性，选定流体材料，设定流体热物性参数；通过三维建模软件建立模型，包括基板和粉末层，基板通过几何模块设定，粉末层通过DEM模块自由落粉生成，由Particle转换工具导出为STL文件；
[0007]S2.导入模型；
[0008]S3.进行熔融计算：划分网格，设置边界条件，上顶面设置为对流传热，其他表面均设置为绝热状态；设定初始温度，包括粉末层和基板；添加热源，通过Weld模块设定热源尺寸和熔融参数；计算求解；
[0009]S4.导出结果模型，保存包括熔体温度、物质蒸发量等数据；
[0010]S5.导入结果模型再进行熔融计算，重复步骤S3，再导出结果模型，保存包括熔体温度、物质蒸发量等数据；
[0011]S6.重复步骤S5；
[0012]S7.步骤S6的结果模型生成新粉末层：新粉末层通过DEM模块自由落粉生成，由Particle转换工具导出为STL文件；
[0013]S8.重复步骤S2
‑
S6。
[0014]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述物理模块包括气泡和相变模块、重力模块、凝固模块、粘度和湍流模块、热传导模块、表面张力模块和密度模块空气夹杂模块、空化模块、反应动力学模块、水汽模块。
[0015]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述流体材料包括CMSX4 合金、Hastelloy X合金、Inconel 713合金、Inconel 718合金；
[0016]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述流体热物性参数包括流体密度、流体粘度、流体比热、流体热导率。
[0017]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S1、S7中，所述粉末尺寸为0.01~0.06 mm。
[0018]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S1、S7中，所述粉末层厚度为0.01~0.04 mm。
[0019]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，基板和粉末层网格尺寸比为1~2:1。
[0020]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，基体初始温度为323~373 K，粉末层初始温度为288~303 K。
[0021]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述热源尺寸为0.05~0.10 mm。
[0022]作为本专利技术所述的一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述熔融参数为：激光功率为150~250 W，扫描速度为1020~1220 mm/s，扫描间距为0.05~0.10 mm，扫描路径包括蜿蜒扫描、45
°
棋盘扫描、90
°
棋盘扫描、环形扫描，激光熔化次数为1次，层间旋转角为0~90
°
。
[0023]本专利技术的有益效果如下：
[0024]本专利技术提出一种激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，利用多物理场模型模拟激光粉末床熔融过程中的热场分布和凝固过程，调节优化激光粉末床熔融工艺，最终获取较优的激光扫描策略；本专利技术基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，相比于传统的以经验和试错为主实验探索，周期更短，成本更低，效率更高，同时，通过优化后的激光重熔和扫描策略的耦合工艺，可以提高熔池稳定性，优化熔体流动性，提高实际打印质量。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术实施例1的截面温度
‑
速度场云图；
[0027]图2为本专利技术实施例1
‑
5的整体温度场云图和平均温度曲线图；
[0028]图3为本专利技术实施例1
‑
5的物质蒸发量曲线图。
[0029]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0030]下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0031]本专利技术的主要目的是提出一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，建立一种基于计算流体动力学和传热学的多物理场模型，根据温度场变化和冷却情况调整优化打印策本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.建立多物理场模拟模型：赋予模型物理模块；添加流体属性，选定流体材料，设定流体热物性参数；通过三维建模软件建立模型，包括基板和粉末层，基板通过几何模块设定，粉末层通过DEM模块自由落粉生成，由Particle转换工具导出为STL文件；S2.导入模型；S3.进行熔融计算：划分网格，设置边界条件，上顶面设置为对流传热，其他表面均设置为绝热状态；设定初始温度，包括粉末层和基板；添加热源，通过Weld模块设定热源尺寸和熔融参数；计算求解；S4.导出结果模型，保存包括熔体温度、物质蒸发量的数据；S5.导入结果模型再进行熔融计算，重复步骤S3，再导出结果模型，保存包括熔体温度、物质蒸发量的数据；S6.重复步骤S5；S7.步骤S6的结果模型生成新粉末层：新粉末层通过DEM模块自由落粉生成，由Particle转换工具导出为STL文件；S8.重复步骤S2
‑
S6。2.根据权利要求1所述的基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述物理模块包括气泡和相变模块、重力模块、凝固模块、粘度和湍流模块、热传导模块、表面张力模块和密度模块空气夹杂模块、空化模块、反应动力学模块、水汽模块。3.根据权利要求1所述的基于Flow3D的激光粉末床熔融多道多层扫描仿真方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述流体材料包括CMSX4 合金、Hastelloy X合金、Inconel 713合金、Inconel 718合金。4.根据权利要求1所述的基于Flow3D的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：董超芳，戴坤杰，贺星，郭蓉，孔德成，张维，贺可太，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：