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FLOW-3D AM提供了基於離散元素法（DEM）和計算流體動力學（CFD）的積層製造加工所需的粉末鋪設與熔池建模工具。加工參數，如雷射功率和速度、掃描路徑、掃描間距、粉末尺寸/密度分布和粉床填料等，都會影響到積層製造過程和成品的機械性能。通過CFD建模，研究人員可以瞭解這些加工參數對基本物理現象的影響，如熔池動力學、孔隙形成、凝固和微觀結構演變。這樣的數值模型提供了對熔池中的流體對流、鎖孔(keyhole)的形成、溫度梯度和凝固率的分析結果。然後，這些結果可以找出更佳且更適合的成形條件，充分利用增材製造的優勢。

雷射粉床製作過程: LPBF

通過 CFD 模擬可以更容易理解與最佳化 LPBF 加工製程

粉末鋪設

LPBF 加工製程的第一步是以指定的層高與理想的粉末密度堆積指定材料的粉床。FLOW-3D DEM使研究人員能够模擬粉末鋪展和壓實，因爲它與粉末尺寸分布、材料特性、內聚力效應以及幾何效應（如滾輪或刮刀運動和相互作用）有關。這些模擬可以準確地理解加工參數如何影響粉床的特性 - 如堆疊密度，這將直接影響到後續加工過程中的熔池動態。

熔化

一旦在FLOW-3D DEM模擬中完成粉床模擬，它就能轉存為STL檔案。下一步是使用CFD模擬雷射加工熔化過程。此處可以對雷射光束和粉床的相互作用進行數值模擬。爲了準確捕捉這一過程，包含了各種物理量，例如粘性流動、熔池內的雷射多重反射（通過射線追踪）、熱傳導、凝固、相變和汽化、反衝壓力 (recoil pressure)、保護氣體壓力和表面張力等。所有這些物理學都建立在TruVOF方法之上，以準確模擬這一複雜過程。

多層製作

一旦熔池加工凝固模擬完成後，FLOW-3D DEM就可以用來模擬新的粉末在先前凝固層上的堆疊。然後可以在新的粉末層上進行雷射熔化，以分析後續層與層之間的熔合條件。

當用LPBF沉積和雷射加工後續堆疊的粉床時，溫度梯度、冷却速率和凝固將對粉末層與層之間的熔合、微觀結構和最終零件品質産生重大影響。FLOW-3D AM使研究人員能夠在熔池尺度上對粉末物理學和雷射與材料的相互作用進行高精度模擬，以瞭解後續堆疊材料所産生的熔融、熱曲線和凝固情况。此外，研究人員可以研究掃描策略對後續推疊的影響，以優化雷射加工參數，在不影響零件品質的情况下提高産量。

LPBF中的 Keyholing作用

Keyholing是如何形成孔隙的？這是丹麥理工大學的研究人員使用FLOW-3D AM的研究課題。當基材在雷射光束的作用下熔化時，由於汽化和相變産生的反衝壓力使熔池下降。由於反衝壓力造成的向下流動和由於雷射反射造成的額外雷射能量吸收同時存在，導致失控效應，使熔池過渡到一個鎖孔。最終，由於沿鎖孔壁的溫度變化，表面張力力導致孔壁被掐斷，導致空隙被前進的凝固前線困住，從而産生孔隙。FLOW-3D AM擁有所有需要的物理模型來模擬雷射粉末床熔融過程中的鎖孔和孔隙形成。

掃描策略

由於掃描方式對溫度梯度和冷却速率的影響，會對微觀結構有直接影響。研究人員正在使用FLOW-3D AM來探索最佳的掃描策略，以瞭解軌道之間發生的重熔現象，這可能會影響缺陷的形成和固化金屬的微觀結構。FLOW-3D AM能夠模擬一個或多個雷射光源隨著時間變化的移動，在方向設定與速度設定提供了充分的靈活性。

光束形狀

除了雷射功率和掃描策略外，雷射光束形狀和熱通量分布對LPBF製程中的熔池動態有很大影響。積層製造機器製造商正在探索使用多個雷射光束以及特定形狀的雷射光束來提高加工穩定性和産量。FLOW-3D AM允許實施多核心和任意形狀的光束輪廓，有助於深入瞭解提高産量和改善零件品質的最佳配置。

多材料粉床融合

在這個模擬中，不銹鋼和鋁粉都能夠獨立設定隨溫度變化的材料特性，FLOW-3D AM能夠追蹤以準確捕捉熔池的動態變化。該模擬有助於理解熔池中的材料混合。

調查異種金屬雷射鎖孔焊接的金屬混合情况

來自通用汽車和猶他大學的研究人員使用FLOW-3D WELD來瞭解異種金屬通過雷射鎖孔焊接的混合情况。他們研究了雷射功率和掃描速度對銅和鋁的混合濃度的影響，因爲它與反衝壓力 (recoil pressure) 和馬蘭戈尼對流 (Marangoni convection)有關。他們將模擬結果與實驗結果進行了比較，發現樣品內切割斷面的材料混合比例與實驗結果類似。

參考文獻：黃文康，王洪亮，Teresa Rinker，Winda Tan，異種金屬雷射鎖孔焊接中的金屬混合調查，材料與設計，第195卷，（2020）。，第 195 卷，（2020 年）。https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056

微觀結構預測

FLOW-3D AM能夠將相關數據 (如冷却速率和溫度梯度) 輸入到微觀結構模型中，以預測晶體的生長和樹枝狀的臂間距。

雷射粉末床熔融法製造的鎳基超級合金的傳熱、流體流動和凝固微觀結構的模型研究

來自俄亥俄州立大學的研究人員從熔池和固/液界面的適當位置讀取溫度梯度和冷却速率數據，以預測鎳基超級合金的微觀結構變化。

參考文獻: Y.S. Lee和W. Zhang, 雷射粉末床熔化製造的鎳基超級合金的傳熱、流體流動和凝固微觀結構的建模，S2214-8604(16)30087-2， doi.org/10.1016/ j.addma .2016.05.003，ADDMA 86

熱應力

FLOW-3D AM模擬的結果可以輸入到有限元素分析軟體，如ABAQUS或MSC NASTRAN，以進一步進行熱應力分析。在這裏，你可以看到T型接頭的雷射焊接模擬結果如何被導入ABAQUS進行進一步的應力分析。同樣，LPBF模擬中凝固的熔池數據的結果可用於研究其他有限元素分析軟體的熱應力和變形分析。

通過連接熱-流體和機械模型對增材製造的熱應力進行高精度建模

新加坡國立大學和新加坡國立大學研究所的研究人員利用FLOW-3D的熱流體模型對雷射粉末床融合過程進行建模，並提取溫度數據，然後輸入機械模型，分析殘餘應力集中情况。耦合的CFD-FEM模型提供了對將導致機械故障的加工參數的參考數據，如與高拉應力位置相關的裂紋和孔隙。這些模擬是針對不同的雷射功率和掃描速度在多層粉床上進行的。

參考資料：陳凡、嚴文濤，通過連結熱流體和機械模型對增材製造進行熱應力高精度建模，材料與設計，第 196 卷，（2020 年）。https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109185

定向能量沉積

定向能量沉積（DED）是一種增材製造加工技術，它通過沉積線材或粉末，利用雷射或電子束等能量源進行加熱和熔合來製造零件。FLOW-3D AM可以通過計算加工參數來模擬DED製程，如粉末或金屬絲的進給率和尺寸特徵，以及雷射功率和掃描速度。此外，通過爲基材和粉末材料中的不同合金定義獨立的熱物理材料特性，可以模擬多材料DED製程。

通過實施雷射物理學以及傳熱、凝固、表面張力、保護氣體效應和壓力效應（包括反衝壓力 recoil pressure），研究人員可以準確地分析加工參數對所産生的焊珠的强度和均勻性的影響。此外，這些模擬可以擴展到多層模擬，以分析後續層之間的熔合。

基於粉末的DED

基於粉末的DED是一種高度精確和可控的方法，用於沉積粉末以逐層製造3D零件。在選擇加工參數以最佳化生産與减少材料浪費，這種靈活性需要考慮各種加工參數。FLOW-3D AM允許考慮粉末比例（最多兩種不同的材料）、堆積效率、構建方向以及雷射光束和積層方向。

基於線材DED

基於線材的DED往往比基於粉末的DED有更高的産量和更少的浪費，但在材料組成和沉積方向的靈活性較低。FLOW-3D AM有助於瞭解基於線材的DED加工空間，並允許進行最佳化研究以找到最佳的加工參數，如線的進給速度和直徑。

基於線/粉的DED

一些研究人員正在研究基於線/粉的混合DED系統，它爲製造零件提供了更廣泛的加工條件。作爲一個例子，這個模擬正在研究一個具有可變粉末和線材進給率的混合系統。