主動跟蹤激光3D打印熔池凝固行為的數(shù)值模擬方法

（文章來源：3D打印網(wǎng)）

算法用來模擬變化行為，聽起來可能比較費解。一個具體的生活例子，天氣的變化是地球周圍大氣運動變化的結果。物理學中的流體力學和熱力學的基本定律可用于分析大氣的運動變化，而這些定律可以用數(shù)學語言寫成數(shù)學方程。然后，人們利用大型計算機對這些數(shù)學方程求解，就預報出某一地區(qū)未來的氣壓、溫度、風向、風速以及降水量等……像國外weather.com上的天氣預報精準度高，也就是說他們的算法是很不錯的。

在金屬3D打印過程中，國際上對于激光3D打印熔池凝固行為的研究主要側重于溫度場，并通過對溫度場數(shù)據(jù)的后期二次處理間接獲得溫度梯度、熔池凝固速率等數(shù)據(jù)，無法在時間和空間上實現(xiàn)對凝固行為的主動跟蹤記錄。通過人為后期二次處理間接獲得熱物理數(shù)據(jù)，易存在數(shù)據(jù)點捕捉不準確，數(shù)據(jù)精度差等缺點，不利于對3D打印熔池凝固行為作精確分析。

南京航空航天大學顧冬冬教授團隊嘗試用算法來基于時間和空間的變化主動跟蹤激光3D打印熔池的凝固行為。這一點與天氣預報的邏輯可以說是有著異曲同工的妙處。

為什么要研究熔池的凝固行為呢？激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光3D打印最終成形件的綜合性能具有至關重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強度；凝固速率過快易造成制件內(nèi)部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導致制件使用過程中的提前失效。同時，伴隨凝固行為產(chǎn)生的殘余應力集中問題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯(lián)系。

針對激光3D打印熔池凝固行為的數(shù)值模擬是一項涉及三維空間尺度和復雜物理冶金現(xiàn)象，包括質量、動量及熱量等多重傳遞的綜合性研究工作，以往對于激光3D打印熔池凝固行為的研究主要側重于溫度場，并通過對溫度場數(shù)據(jù)的后期二次處理間接獲得溫度梯度、熔池凝固速率等數(shù)據(jù)，無法在時間和空間上實現(xiàn)對凝固行為的主動跟蹤記錄。

激光3D打印過程具有高溫熔化粉體并伴隨有熔池快速冷卻的特點，實驗觀測-記錄-分析熔池凝固行為是不易實現(xiàn)的，但熔池凝固過程中涉及的溫度場、溫度梯度、熔池凝固速率等直接影響成形件服役性能，良好的凝固行為可削弱應力累積，并實現(xiàn)殘余應力的合理分布，有效降低成形件內(nèi)部微裂紋和孔隙的產(chǎn)生，避免制件在承載過程中提前失效。

南京航空航天大學基于有限元模擬軟件，計算流程進行激光3D打印溫度場計算。采用牛頓-拉普森方法計算三維熱傳導控制方程，并使其計算迭代直至計算收斂，最終得到激光3D打印熔池溫度場、凝固速率、溫度梯度及熔池形態(tài)。
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