案例分析 | 3D打印仿真软件在增材制造过程中的助力

今天我们通过一款具体软件来分析3D打印仿真技术在增材制造过程中的作用。

FLOW-3D AM软件是美国Flow Science公司开发的3D打印模拟软件，可用于模拟和分析多种3D打印工艺，如激光粉末床熔融（L-PBF）、黏结剂喷射和直接能量沉积（DED）。FLOW-3D AM的自由表面跟踪算法及其多物理场模型可高精度模拟铺粉、熔池动力学、气孔形成、树脂渗透和扩散等，分析和优化工艺参数，为这些过程提供独特的仿真视角。

激光粉末床熔融

激光粉末床熔融过程涉及复杂的多物理现象，如流体流动、传热、表面张力、相变和凝固，这些现象对仿真的准确性有重要影响。FLOW-3D AM模拟熔池现象时考虑粉末粒度分布和堆积分数，同时求解质量、动量和能量守恒方程。

激光粉末床熔融工艺的主要阶段是铺粉、粉末熔化和固化，然后在之前的固化层上铺设新粉末，并再次将新层熔化和融合至之前固化层上。FLOW-3D AM可用于模拟这些阶段。

铺粉过程

基于DEM模块，软件可通过落下随机分布的粒子并堆积铺平来模拟铺粉。可模拟不同的粒度分布下的粉末堆积密度，从而优化粉末粒径配比。

FLOW-3D AM利用其DEM模块还可以对粒子-粒子相互作用、流体-粒子耦合和粒子-运动物体相互作用进行详细分析。此外，它也可以指定一个粒子间的力，以更精确地研究粉末扩散应用。

粉末床熔融

铺好粉床后，可以在FLOW-3D WELD中指定激光束工艺参数，以进行高精度熔池模拟。可以详细分析温度、速度、固相分数、温度梯度及凝固速度。

熔池凝固后，FLOW-3D AM压力和温度数据也可以导入到Abaqus或MSC Nastran等有限元工具中，以分析应力和变形量。

316L不锈钢激光选区熔化仿真案例

此案例为某高校委托Flow Science China进行的测试项目，基于FLOW-3D AM进行金属粉末在激光热源下的熔化、流动和凝固全过程仿真。双层多路径激光增材制造仿真过程：先在单层粉床进行三平行路径激光增材制造仿真，待此层凝固后重新铺粉再进行单一路径（与首层中间路径相同位置）激光熔化凝固过程模拟。

316L不锈钢粉末球体直径分别为15μm、20μm和25μm, 体积占比各1/3；粉床厚度50μm，单层粉床长度、宽度分别取1200μm、300μm；相邻激光扫描路径间距50μm。

材料物理性质                                 

激光热源参数

按以上条件，分别在FLOW-3D、DEM及WELD模块中设定参数后，运行结果如下，符合预期。

316L不锈钢粉末落下模拟

316L不锈钢粉末铺平模拟

激光烧结模拟

直接能量沉积

FLOW-3D AM的内置粒子模型可用于模拟直接能量沉积过程。通过指定粉末注入速率和入射到固体基体上的热通量，固体颗粒可以向熔池中增加质量、动量和能量。

LMD 激光金属沉积

黏结剂喷射

黏结剂喷射模拟为研究受毛细作用力影响的黏结剂在粉床中的扩散和渗透提供了视角，工艺参数和材料性能直接影响沉积和扩散过程。

黏结剂喷射流动模拟

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