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 應用領域 

積層製造

積層製造,也稱為3D列印,是一種使用逐層方法,從粉末或線材開始製造零件的方法。過去幾年,開始應用於金屬積層製造技術。目前有三種主要的金屬積層製造方式,分別是粉床熔合(PBF),直接能量沉積(DED)以及粘合劑噴射(binder jetting)。FLOW-3D  在這三種製程中都能提供相對應的數值模擬。

在粉床熔合和直接能量沉積過程中,可以選用雷射或電子束作為熱源。在這兩種情況下,用於PBF的粉末形式的金屬以及用於DED的粉末或線材的金屬在完全熔化後,會熔合在一起並且以逐層方式形成零件。然而在粘合劑噴射中,用作粘合劑的樹脂也會同時沉積在金屬粉末上,以逐層方式形成零件。完成後再進行燒結,讓這些零件提供更好的緻密性。

FLOW-3D 的自由液面追蹤功能以及其具備多物理量模型的特色,使其能夠以高精密度模擬這些製程。以下將會討論雷射粉床製程(L-PBF),以及包含了 DED以及binder jetting 等製程的模擬細節。

雷射沙床製程

L-PBF 製程包含了多種物理原理,例如流體流動、熱傳、表面張力、相變化以及凝固等各種可能會影響製程良率等因素。 FLOW-3D 的物理模型透過考慮粒度分布以及填充率等參數,來模擬沙床內的熔池現象,同時求解質量、動量以及能量守恆方程式等。

FLOW-3D 的附加模組 DEM與WELD 用你模擬完整的沙床融合過程。L-PBF製程,包含了沙床鋪設、粉末熔化以及凝固,隨後在先前凝固的沙床上重新鋪設新的粉末,並且再次熔解,將新的材料與前一層熔合。 FLOW-3D 能夠模擬上述製程中的每一個階段。

沙床鋪設製程

利用 FLOW-3D 的DEM模組,可以透過噴射隨機分布的顆粒以模擬沙床的鋪設過程,如下圖動畫所示。

為了讓沙床壓實,其中一種方法是在鋪設沙床時採用不同尺寸的顆粒分布,如下所示。利用三種不同的顆粒尺寸分布,找出最佳充填率分布的沙床設定。以此案例而言,Case2為最佳解。

Powder bed laying using three different particle size distributions

The resulting powder bed compaction using three different particle size distributions

DEM模組可以用來分析粒子-粒子之間的相互作用、流體-粒子耦合以及粒子與移動物件相互作用等現象。另外,還可以指定顆粒間的黏著力,使其能夠更精確的用以研究粉末塗佈等應用。

此模擬採用 FLOW-3D 的DEM模組用以研究由於反向旋轉的圓柱滾子造成的顆粒擴散現象。動畫開始時,沙床向下移動,在此同時左側的顆粒儲存區向上移動,緊接著滾子將粉末顆粒(根據其初始位置以不同的顏色編碼)壓散至沙床上,為下一層熔化和堆疊做準備。此模擬可以提供不同的粉末顆粒對於擴散時的模擬影響評估。

沙床熔化

鋪設沙床後,可以利用FLOW-3D 的WELD模組設定雷射光束功率參數,已執行熔池模擬。模擬可以提供溫度、速度、固體分率、溫度梯度及固相速度的相關資料。

在雷射功率輸出 200W,掃描速度為 3m/sec, 光斑半徑為 100μm下對粉床進行熔池分析

一旦熔池凝固,FLOW-3D 的壓力及溫度數據也能夠導出至ABAQUS或 MAC NASTRAN 等FEA工具中,以模擬應力分布及變形量分析。

多層積層製造

當第一層熔化層凝固後,會在已凝固的沙床上堆積第二層粉末,通過在新的粉末層上設定雷射加工參數,再進行熔池模擬。該過程可以重複多次模擬,以評估連續凝固層之間的熔合、層與層之間的溫度梯度,同時還能夠預測孔隙或是其他缺陷的形成。

黏合劑噴射

Binder jetting 模擬能夠提供沙床上粘合劑的擴散和滲透的模擬,分析可以同時考慮毛細管現象、加工參數以及材料特性對於沉積和擴散的過程。

直接能量沉積

利用 FLOW-3D 內建的 particle 模組,也能夠模擬直接能量沉積過程。透過指定顆粒注入速度與入射在固體基材上的熱通量,固體顆粒能夠將質量,動量和能量等加入至熔池中。在下列動畫中,模擬金屬顆粒射入熔池中,隨後觀察熔池在基板上的固化現象。