一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法技术

本发明专利技术创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，包括：S1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；S2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；S3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；S4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对多组不同工艺参数进行模拟。本发明专利技术创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，通过离散元法建立粉床模型，构建传热和熔池驱动力多物理场模型通过对单熔道成型进行数值模拟，得到最终形貌结果；对成型后的单熔道进行评价，分析缺陷现象，为工艺参数的优化提供参考。

A numerical simulation method for prediction of defects in laser selective melting single channel forming

【技术实现步骤摘要】
一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法
本专利技术创造属于激光选区熔化领域，尤其是涉及一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法。
技术介绍
激光选区熔化是利用激光束，按照预定路径，将预先铺设在二维截面上的金属粉末熔化，由下而上逐层熔化并凝固形成实体零件；SLM成型中，单熔道最基本的成型单元，单熔道的成型缺陷直接影响最终的产品质量，构建高质量的单熔道是金属制件打印成功的必不可少条件；数值模拟可以直观、快速的预测单熔道成型中产生的缺陷现象，对工艺参数选择提供参考；但现有大部分SLM模拟将金属粉末简化为具有一定特性的连续几何体，无法准确描述粉末颗粒特性，模拟时只考虑传热机制，未考虑熔池驱动力；同时传热考虑因素不全面，对蒸发散热，对流散热未考虑，没有考虑熔池在激光下的流动变形，导致模拟精度不高，无法准确预测熔道产生的缺陷。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术创造旨在克服上述现有技术中存在的缺陷，提出一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法。为达到上述目的，本专利技术创造的技术方案是这样实现的：一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，包括：S1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；S2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；S3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；S4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对三组不同工艺参数进行模拟。进一步的，所述步骤S1中建立粉床颗粒模型的具体方法包括：S11、按真实粉末尺寸及比例构建粉床球形颗粒；S12、按照真实粉末的填充密度，使粉床球形颗粒充满方形容器中；填充密度为真实粉末在粉床上的振实密度；进一步的，所述步骤S2的具体方法包括：S21、粉床球形颗粒模拟材料选择不锈钢材料，颗粒直径范围为10-60μm；S22、对粉床模型进行网格划分，使得单个网格尺寸为3-7μm，划分网格数量为40-60万；S23、设置计算中的最小和最大时间步长分别为e-12s、e-8s。进一步的，所述步骤S21中不锈钢材料选择316L型不锈钢。进一步的，所述步骤S22中，单个网格尺寸为5μm，划分网格数量为50万。进一步的，所述步骤S3中热传递模型建立方法为：S31、采用高斯面热源模型作为热源模型；高斯面热源方程为：其中：P为激光功率/W；R为激光光斑半径/m；r为熔化区域任意点到激光中心的距离/m；A为吸收率。S32、根据热吸收、热传导、热对流、热辐射以及蒸发散热，构建传热模型：其中：ρ为材料密度/g·cm-3；c为材料比热容/J·(K·m3)-1；T为粉床表面温度/K；k为材料热传导系数/W·(K·m)-1；qc为气体的对流换热；为表面热辐射；qev为蒸发潜热；S33、定义qc＝hc(T-T0)，其中hc为自然对流系数，hc＝80W/m2；εr为等效发射系数，σs为Stefan-Boltzmann常数，σs＝5.67×10-8W/(m2k2)，T0为环境温度/K；S34、定义M为摩尔质量/g/mol；R为理想气体常数，R＝8.314472J/K/mol；P0为环境压力/Kpa；Tlv为金属熔体的沸点/K；ΔH*为损失的金属蒸气的有效焓/KJ/mol。进一步的，所述步骤S3中熔池驱动力的多物理场模型具体设定方法为：S35、根据粉床球形颗粒模拟材料熔液的表面张力，定义熔液的表面张力值，通过软件进行设置；S36、为模型中熔液增加蒸汽反冲力设定，通过软件进行设置，蒸汽反冲力的方程为：P0为沸点蒸汽压/Pa；Tlv为沸点温度/K；ΔH*为金属蒸发时的有效焓；S37、为模型中的粉床球形颗粒及其熔液增加重力设定，重力设定值为当前地理位置的重力均值，通过软件进行设置。进一步的，所述步骤S4中模拟的具体方法包括：S41、采用激光光斑半径R＝30μm，单次铺粉一层，粉末层厚为60μm工艺参数固定不变；S42、采用三组不同工艺参数进行模拟，三组不同工艺参数如下：a：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.4m/s；b：激光功率P＝300W，扫描速度v＝1.0m/s；c：激光功率P＝250W，扫描速度v＝1.0m/s。相对于现有技术，本专利技术创造具有以下优势：本专利技术创造提供了一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，通过离散元法建立粉床模型，构建传热和熔池驱动力多物理场模型通过对单熔道成型进行数值模拟，得到最终形貌结果；对成型后的单熔道进行评价，分析缺陷现象，为工艺参数的优化提供参考。附图说明构成本专利技术创造的一部分的附图用来提供对本专利技术创造的进一步理解，本专利技术创造的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术创造，并不构成对本专利技术创造的不当限定。在附图中：图1为本专利技术创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中粉床颗粒模型结构示意图；图2为本专利技术创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中熔道模拟成型过程示意图；图3为本专利技术创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中熔道数值模拟成型的结构示意图；图4为本专利技术创造实施例所述预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法中熔道实际打印成型的结构示意图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在本专利技术创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本专利技术创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本专利技术创造中的具体含义。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术创造。一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，如图1至图4所示，包括：步骤1：通过EDEM2017软件建立了一个粉床颗粒模型，首先按真实粉末尺寸及比例构建球形颗粒，其次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，包括：/nS1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；/nS2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；/nS3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；/nS4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对多组不同工艺参数进行模拟。/n

【技术特征摘要】
1.一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，包括：
S1、通过EDEM软件建立一个粉床颗粒模型；
S2、选择粉床颗粒材质，对粉床颗粒模型进行网格划分；
S3、建立模拟所需热传递及熔池驱动力的多物理场模型；
S4、选择激光功率和扫描速度为对象分别对多组不同工艺参数进行模拟。


2.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中建立粉床颗粒模型的具体方法包括：
S11、按真实粉末尺寸及比例构建粉床球形颗粒；
S12、按照真实粉末的填充密度，使粉床球形颗粒充满方形容器中；填充密度为真实粉末在粉床上的振实密度；
S13、导出粉床球形颗粒的坐标和半径，进行建模。


3.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法包括：
S21、粉床球形颗粒模拟材料选择不锈钢材料，颗粒直径范围为10-60μm；
S22、对粉床模型进行网格划分，使得单个网格尺寸为3-7μm，划分网格数量为40-60万；
S23、设置计算中的最小和最大时间步长分别为e-12s、e-8s。


4.根据权利要求3所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S21中不锈钢材料选择316L型不锈钢。


5.根据权利要求3所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S22中，单个网格尺寸为5μm，划分网格数量为50万。


6.根据权利要求1所述的一种预测激光选区熔化单熔道成型缺陷的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中热传递模型建立方法为：
S31、采用高斯面热源模型作为热源模型；高斯面热源方程为：



其中：P为激光功率/W；R为激光光斑半径/m；r为熔化区域任意点到激光中心的距离/m；A...

【专利技术属性】
技术研发人员：田华，曹志伟，辛毅，蔡养川，韩俭，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12