標題圖片.jpg

Home > 產品總覽 > FLOW-3D AM

FLOW-3D AM為 AM 工藝提供基於離散元法 (DEM) 和計算流體動力學 (CFD) 的粉末擴散和熔池建模工具。激光功率和速度、掃描路徑、孵化間距、粉末尺寸分佈和粉末床填充等工藝參數會影響 AM 構建過程和構建部件的機械性能。通過 CFD 建模,研究人員可以了解這些工藝參數對熔池動力學、孔隙形成、凝固和微觀結構演變等基本物理現象的影響。這種數值模型提供了對熔池中流體對流、小孔形成、溫度梯度和凝固速率的深入了解。然後,這些見解可以推動合金工藝窗口的開發,充分利用增材製造的優勢。

基於激光的工藝:LPBF

通過 CFD 模擬可以更好地理解和優化 LPBF 過程的許多方面。

這種激光粉末床融合 (L-PBF) 工藝的模擬是使用 FLOW-3D AM 的全部功能創建的。使用 FLOW-3D DEM 模擬粉末鋪設、鋪展和壓實,而 FLOW-3D WELD 用於建模和分析激光束工藝參數及其對粉末床的影響。

粒子散佈

LPBF 工藝的第一步是沉積具有規定層高和所需粉末床密度的某種材料的粉末床。FLOW-3D DEM使研究人員能夠了解粉末擴散和壓實,因為它與粉末尺寸分佈、材料特性、凝聚力效應以及幾何效應(如輥子或葉片運動和相互作用)有關。這些模擬可以準確理解工藝參數如何影響粉末床特性,例如填充密度,這將直接影響後續打印過程中的熔池動力學。

融化

在FLOW-3D DEM模擬中生成粉末床後,將其提取為 STL 文件。下一步是使用 CFD 模擬激光熔化過程。在這裡,我們模擬了激光束和粉末床的相互作用。為了準確捕捉這一過程,物理包括粘性流動、熔池內的激光反射(通過射線追踪)、熱傳遞、凝固、相變和汽化、反沖壓力、保護氣體壓力和表面張力。所有這些物理都建立在TruVOF方法之上,以準確模擬這一複雜過程。

多層

一旦熔池軌道凝固,FLOW-3D DEM可用於模擬新粉末層在先前凝固層上的擴散。類似地,然後可以對新的粉末層進行激光熔化,以分析後續層之間的熔合情況。

當用 LPBF 沉積和熔化後續層時,溫度梯度、冷卻速率和凝固將對層之間的熔合、微觀結構和最終零件質量產生重大影響。FLOW-3D AM使研究人員能夠在粉末物理和激光-材料相互作用的熔池規模上運行高保真模擬,以了解由此產生的熔合、熱分佈和沈積附加層的固化。此外,研究人員可以查看掃描策略對後續層的影響,以優化激光參數,從而在不影響零件質量的情況下提高產量。

LPBF 中的鎖孔

鎖孔過程中如何形成孔隙?這是來自 TU Denmark 的研究人員使用FLOW-3D AM回答的問題。當基材在激光束的作用下熔化時,由於汽化和相變產生的反沖壓力會壓低熔池。由於反沖壓力導致的向下流動和由於激光反射導致的額外激光能量吸收的共存導致失控效應,將熔池轉變為小孔。最終,由於沿鎖孔壁的溫度變化,表面張力導致壁夾斷並導致空隙,這些空隙可能被前進的凝固前沿捕獲,從而產生孔隙。FLOW-3D AM擁有所有必要的物理模型來模擬激光粉末床融合過程中的小孔和孔隙形成。

LPBF 中的鎖孔

鎖孔過程中如何形成孔隙?這是來自 TU Denmark 的研究人員使用FLOW-3D AM回答的問題。當基材在激光束的作用下熔化時,由於汽化和相變產生的反沖壓力會壓低熔池。由於反沖壓力導致的向下流動和由於激光反射導致的額外激光能量吸收的共存導致失控效應,將熔池轉變為小孔。最終,由於沿鎖孔壁的溫度變化,表面張力導致壁夾斷並導致空隙,這些空隙可能被前進的凝固前沿捕獲,從而產生孔隙。FLOW-3D AM擁有所有必要的物理模型來模擬激光粉末床融合過程中的小孔和孔隙形成。

掃描策略

除了激光功率和掃描策略外,激光束形狀和熱通量分佈對 LPBF 工藝中的熔池動力學有很大影響。AM 機器製造商正在探索使用多核和任意形狀的激光束來提高工藝穩定性和產量。FLOW-3D AM允許實施多核和任意形狀的光束輪廓,有助於深入了解提高產量和提高零件質量的最佳配置。

多材料粉末床融合

在此模擬中,不銹鋼和鋁粉具有獨立定義的與溫度相關的材料屬性,FLOW-3D AM跟踪這些屬性以準確捕捉熔池動態。模擬有助於了解熔池中的材料混合。

微觀結構預測

FLOW-3D AM數據(例如冷卻速率和溫度梯度)可以輸入到微觀結構模型中,以預測晶體生長和枝晶臂間距。 

熱應力

FLOW-3D AM模擬的結果可以輸入到有限元分析軟件(例如 ABAQUS 或 MSC NASTRAN)中,以運行進一步的熱應力分析。在這裡,您可以看到如何將 T 形接頭的激光焊接模擬結果導入 ABAQUS 以進行進一步的應力分析。同樣,LPBF 模擬中凝固熔池數據的結果可用於研究其他 FEA 軟件中的熱應力和變形分析。

thermalstressanalysis.png
thermalstresses2.png

定向能量沉積

定向能量沉積 (DED) 是一種增材製造工藝,它通過沉積金屬絲或粉末來製造零件,金屬絲或粉末使用激光或電子束等能源加熱並熔合在一起。FLOW-3D AM可以通過考慮粉末或線材進給速率和尺寸特徵以及激光功率和掃描速度等工藝參數來模擬 DED 工藝。此外,可以通過為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來模擬多材料 DED 過程。

隨著激光物理以及傳熱、凝固、表面張力、保護氣體效應和包括反沖壓力在內的壓力效應的實施,研究人員可以準確地分析工藝參數對所得焊道強度和均勻性的影響。此外,這些模擬可以擴展到多個層,以分析後續層之間的融合。 

基於粉末的 DED

基於粉末的 DED 是一種高度精確且可控的方法,用於沉積粉末以逐層製造 3D 零件。這種靈活性帶來了在選擇工藝參數以優化生產和減少材料浪費時需要考慮的各種工藝參數。FLOW-3D AM允許充分考慮粉末成分(最多兩種不同的材料)、集水效率、構建方向以及激光和基板方向。

基於有線的 DED

與基於粉末的 DED 相比,基於線材的 DED 往往具有更高的吞吐量和更少的浪費,但在材料成分和沈積方向方面的靈活性較低。FLOW-3D AM有助於了解基於線材的 DED 的加工窗口,並允許進行優化研究以找到最佳加工參數,例如構建的送絲速度和直徑。

基於線粉的 DED

一些研究人員正在研究基於混合線粉末的 DED 系統,該系統為建築零件開闢了更廣泛的加工條件。例如,該模擬正在研究具有可變粉末和線材進給率的混合系統。