雷射粉床熔融過程中的殘餘熱量對熔池幾何造型的影響

Subin Shrestha * and Kevin Chou

J.B. Speed School of Engineering, University of Louisville, Louisville, KY 40292, USA

這篇論文是關於雷射粉床熔融增材製造過程中，殘餘熱對熔池邊界和表面形態的影響的研究。研究結果表明，殘餘熱對熔池的生命周期和微觀結構形成有顯著影響。在多層加工時，第一層表面形態對第二層的實際粉層厚度有影響，進而影響第二層的形成。除此之外，掃描長度對表面形態和微觀結構也有顯著影響。因此，需要根據掃描區域進行參數定制以减少零件品質的變異性。

以下分為實驗以及數值模擬兩個步驟進行說明

一、實驗

實驗參數如下：

⊿ 雷射加工參數

⊿ 試片的操作流程

⊿ 實驗樣品

二、數值模擬

⊿ 粉床製作流程

第一層 DEM 模擬：使用 80 µm 的間隙距離，模擬第一層的粉末散布過程。假設粉末的填充密度為 50%，因此理論穩態粉末層高度為層厚除以填充密度，即 80 µm。DEM 模擬採用 LIGGGHTS 的 OPEN SOURCE 軟體。

將完成後的第一層粉床圖檔傳送至 FLOW-3D 進行雷射加工模擬。模擬完成後，利用所形成的表面進行第二層 DEM 模擬。

第二層 DEM 模擬：將第一層的粉末降低 80 µm，即實際第一層的厚度。但由於第一層掃描模擬時已考慮到了收縮，因此第二層的刮刀與基座之間的間隙减少到 40 µm。這種方法可以探討第一層固有表面粗糙度對第二層粉末分布和層厚度變化的影響。模擬結束後，可以看到第一層和第二層之間的間隙變化情况。

⊿ 模擬設定及材料規格

⊿ 研究流程如下：

使用白光干涉儀獲得多軌和多層樣品的表面形貌。

進行金相分析以確定熔融模式，並觀察沿掃描方向不同區域的橫向熔池邊界的變化。

FLOW-3D 數值驗證模擬

第一層加工後的表面狀況會對第二層堆積時造成影響

三、結論

本文進行了實驗和數值研究，以瞭解掃描長度對多道和多層製造過程中殘餘熱和熔池行爲的影響。使用EOS M270製造了材質為IN625的多道樣品，掃描長度爲0.5毫米，1毫米和1.5毫米。最初使用白光干涉儀測量表面輪廓。然後進行了金相學研究，揭示了橫向熔池剖面，並觀察了沿雷射行進方向的熔池形狀變化。另外，以熱流數值模型(FLOW-3D)進行驗證，以瞭解樣品不同區域熔池差异背後的物理原理。

研究結果表明，掃描長度和噴粉間距對熔池行爲具有顯著影響。此外，第一層的表面輪廓會影響第二層的實際粉層厚度，並且影響第二層的第二道形成。