金屬3D打印：如何通過光束整形和仿真軟件協同優化

金屬3D打印過程通常面臨熔池不穩定的問題，極易產生打印缺陷。熱像儀等實時監測設備可以觀測到很多有用的數據，但覆蓋范圍有一定的限制。而計算流體動力學仿真（CFD）可以深入分析熔池內部的穩定性和缺陷形成機制，幫助研究人員彌補觀測的不足。

圖 1：觀察側面隨時間變化的x射線圖像，顯示高斯光束與在相同功率（中行）或高于25%功率（下行）下工作的環形光束相比，傾向于產生鎖孔孔隙缺陷（上排）

CFD仿真的優勢

CFD技術可以幫助研究人員、設備廠商以及制造商提供監測條件，使他們能夠全面評估熔池的動態變化和觀察打印環境。例如慕尼黑大學的研究團隊開發了一套代碼，通過與CFD技術結合的方式優化了光束輪廓，為提升打印質量提供了新的技術路徑。

終端用戶和設備供應商都面臨的新技術難題是，新合金需要有合適的激光參數來保證最終的打印質量，而這些參數又受部件幾何形狀的直接影響。而改變了光斑和能量分布之后，之前的工藝無法直接使用。

圖 2：FLOW-3D AM中具有不同光束形狀的熔池模擬繪制溫度

傳統的參數優化方法主要靠手動試錯來確定最佳參數，但這種方法非常耗時耗力還容易出錯，影響零件最終可靠性。當需要針對多種材料或者針對幾何結構進行測試來確定最佳參數時，用手動試錯的方法將是一項巨大的工作量。

CFD可以簡化參數的優化流程并提供有關每個參數對打印質量影響的評估和可操作信息，使制造商快速且經濟高效地確定特定材料、設備和激光參數集組合的最佳工藝，從而降低成本并提升生產效率。此外，CFD模擬可以避免出現關鍵缺陷（如鎖孔）的工藝，為打印過程提供前所未有的透明度。

鉑力特環形光成形過程

如此一來，制造商更有信心，后續的打印作業將產生積極的結果。構建周期不僅變得更加可預測，而且生產率更高，工件質量可以得到提高，認證運行次數更少。在打印鈦、鎳基高溫合金、難熔金屬和其他昂貴的材料時，大大減少試制品的數量。

控制熔池改善金屬打印質量

nLIGHT于2020年發布了AFX激光器，因為他們知道它有可能通過實現熔池控制來徹底改變金屬打印。在發布之前，nLIGHT團隊與FLOW-3D AM合作模擬了AFX激光器，并準確找出了多芯光束產生最佳結果的原因。

圖 3：FLOW-3D AM 中的熔池模擬，比較高斯分布（左）和AFX環剖面（右），a），b） 速度矢量，c），d） 表面張力壓力分布，e），f） 反沖壓力分布

通過仿真，他們比較了相同總功率熔池的空間分布，從高斯分布（左）到環形分布（右），并看到了整個熔池蒸發壓力和表面張力壓力的深刻變化。這些物理特性與激光下從熔化區域噴出的顆粒飛濺物的相對大小和數量相關。他們將實驗中觀察到的和他們用模型預測的點連接起來，縮小了基礎物理學的重要知識空白，并最終實現了更好的激光光束選擇和更高效的打印工藝。

光束整形層光束中可用的環芯強度分布選項

事實證明，大部分飛濺、煙塵和熔池的不穩定性是由于與打印機使用的單模激光器相關的經典高斯激光束輪廓造成的。雖然高斯光束在粉末床上產生盡可能小的光斑尺寸，但在打印過程中，當生產制造優先于精細分辨率時，它們會成為問題。由于高斯光束輪廓具有位于中心的峰值強度，因此它們產生的集中加熱可能具有很大的破壞性。通過將峰值強度重新分配到周邊而不是中心，nLIGHT在很大程度上消除了這些剖面發生的極端溫度梯度和過熱。

圖 4：粉末床熔融過程中高速攝像的側視圖，與nLIGHT AFX激光器的環形強度分布（下）相比，標準單模激光器的高斯強度分布（上圖）的煙灰、飛濺物和蒸發的冷凝物含量更高。兩張圖像都與相同的合金（AlSi10Mg）和激光參數（600W 在 400um 聚焦光斑尺寸中，以 1.1m/s 掃描）相關聯

EOS于2024年6月與nLIGHT簽署了一項協議，為一些3D打印機模型配備該公司的AFX可編程光束整形激光器。兩家公司還“實施一系列互補的基于激光的技術，用于工業規模的生產應用”，并且“客戶將能夠在EOS軟件上使用不同的光束輪廓，實現更高的3D打印生產力。

展望未來，FLOW-3D AM等高級仿真軟件將繼續為金屬增材制造技術的各個方面打開新的大門。越來越多用戶將利用它來優化他們的產品和制造效率。設備制造商將繼續揭開增材制造的秘密，開發越來越高效的激光器和3D打印機。OEM將使用CFD軟件來設計流程，從而在更短的時間內生產出更高質量的零件，減少缺陷，同時降低總體成本。

除了這些直接用途之外，未來還有將仿真工具和機器學習集成到閉環環境中的潛力。目前，實時仿真的計算負載對于生產用途來說太高了，但有可能對激光光束形狀和構建參數進行原位調整，從而進一步提高增材制造效率和零件質量。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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