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主动跟踪激光3D打印熔池凝固行为的数值模拟方法

算法用来模拟变化行为,听起来可能比较费解。一个具体的生活例子,天气的变化是地球周围大气运动变化的结果。物理学中的流体力学和热力学的基本定律可用于分析大气的运动变化,而这些定律可以用数学语言写成数学方程。然后,人们利用大型计算机对这些数学方程求解,就预报出某一地区未来的气压、温度、风向、风速以及降水量等……像国外(暂不可见)上的天气预报精准度高,也就是说他们的算法是很不错的。

金属3D打印过程中,国际上对于激光3D打印熔池凝固行为的研究主要侧重于温度场,并通过对温度场数据的后期二次处理间接获得温度梯度、熔池凝固速率等数据,无法在时间和空间上实现对凝固行为的主动跟踪记录。通过人为后期二次处理间接获得热物理数据,易存在数据点捕捉不准确,数据精度差等缺点,不利于对3D打印熔池凝固行为作精确分析。

南京航空航天大学顾冬冬教授团队尝试用算法来基于时间和空间的变化主动跟踪激光3D打印熔池的凝固行为。这一点与天气预报的逻辑可以说是有着异曲同工的妙处。

为什么要研究熔池的凝固行为呢?激光加工过程中,熔池的凝固行为对激光3D打印最终成形件的综合性能具有至关重要的影响。凝固速率过慢引起的晶粒粗化将极大地降低材料强度;凝固速率过快易造成制件内部微裂纹和孔隙等加工缺陷,导致制件使用过程中的提前失效。同时,伴随凝固行为产生的残余应力集中问题与制件尺寸精度和表面粗糙度有密切联系。

针对激光3D打印熔池凝固行为的数值模拟是一项涉及三维空间尺度和复杂物理冶金现象,包括质量、动量及热量等多重传递的综合性研究工作,以往对于激光3D打印熔池凝固行为的研究主要侧重于温度场,并通过对温度场数据的后期二次处理间接获得温度梯度、熔池凝固速率等数据,无法在时间和空间上实现对凝固行为的主动跟踪记录。

激光3D打印过程具有高温熔化粉体并伴随有熔池快速冷却的特点,实验观测-记录-分析熔池凝固行为是不易实现的,但熔池凝固过程中涉及的温度场、温度梯度、熔池凝固速率等直接影响成形件服役性能,良好的凝固行为可削弱应力累积,并实现残余应力的合理分布,有效降低成形件内部微裂纹和孔隙的产生,避免制件在承载过程中提前失效。

南京航空航天大学基于有限元模拟软件,计算流程进行激光3D打印温度场计算。采用牛顿-拉普森方法计算三维热传导控制方程,并使其计算迭代直至计算收敛,最终得到激光3D打印熔池温度场、凝固速率、温度梯度及熔池形态。


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