【技術電子報】雷射粉床製程中,由匙孔(Keyhole)造成的空孔缺陷研究

Mohamad Bayat, et al. Keyhole-induced porosities in Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and experimental validation. (2019) https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100835


在本研究中,在一個10.4X10.4X4.5大小的粉床上製作多道直線雷射加工實驗,每道加工寬度為8mm,共加工六道。希望透過本研究了解 Keyhole 形成的方式。





Keyhole的形成


  • 最初的加熱區域先形成一較淺的熔池

  • 回壓壓力造成融熔金屬向下運動

  • 向下的金屬流體運動以及熱點造成Keyhole,並且讓 Keyhole 的尺寸逐漸增加

  • 熱量往熔池後端移動,造成匙孔邊緣的溫度繼續上升,形成更大的回壓壓力


Keyhole 造成金屬內部空孔形成

  • Keyhole底部的回壓壓力持續增加,造成熔池上緣區域的表面張力隨之增加

  • 局部冷卻的金屬開始閉合,在內部形成不規則的空孔

  • 向下的流體流動將這些空孔往熔池後端推動

  • 空孔隨即被困在凝固的金屬熔湯內


以 FLOW-3D AM模組進行模擬,並且以實驗進行比對



模型驗證


以170W的雷射加工實驗進行數值與實驗比對,上圖為加工深度VS 空孔直徑圖,黑色矩形為實驗數據,紅色圓圈為數值模擬結果,兩者比對趨勢一致。


比對孔隙尺寸及深度位置,數值模擬與實驗結果相當接近。