金屬3D打印研究：使用離散元素方法研究粉末擴(kuò)散

來源： 廣西增材制造協(xié)會

在最近發(fā)表的“增材層制造中粉末擴(kuò)散的DEM研究”中，作者Yahia M. Fouda和Andrew E. Bayly進(jìn)行了離散元素方法模擬，以研究使用鈦合金（Ti6AlV4）顆粒的增材制造應(yīng)用。

在討論諸如電子束熔化（EBM）和選擇性激光熔化（SLM）之類的粉末床融合AM技術(shù)時(shí)，這些技術(shù)包括在封閉腔室中的基板上沉積一層薄粉末，為復(fù)雜的幾何形狀提供了潛力和高性能零件-通常用于醫(yī)療，牙科和航空航天應(yīng)用。 Fouda和Bayly也進(jìn)一步研究了增材制造過程的實(shí)際物理原理，采用離散元素方法（DEM）來幫助他們研究粉末流動動力學(xué)和粉末散布。

DEM使研究人員可以跟蹤使用的每個(gè)粒子，并計(jì)算粒子相互作用的方式，與其幾何形狀的聯(lián)系，還可以“解決每個(gè)粒子與粒子和粒子與壁的接觸事件。這些類型的模擬創(chuàng)建的數(shù)據(jù)指示：

• 空間位置
• 線速度和角速度
• 施加的力和扭矩
  

所有這些都被用作“時(shí)間的函數(shù)”，從而導(dǎo)致重要的定量結(jié)果。研究人員使用商用DEM軟件EDEM®進(jìn)行了仿真，研究人員使用“ Hertz-Mindlin（無滑移）”模型可靠地計(jì)算了粒子之間的相互作用。

材料屬性和DEM輸入?yún)?shù)

該系統(tǒng)包括一個(gè)分布器葉片，堆和水平構(gòu)建表面，盡管作者指出，分布系統(tǒng)中的主要細(xì)節(jié)之一是分布器葉片和構(gòu)建表面之間的垂直間隙：

該間隙控制著沉積的粉末層的厚度，該厚度對應(yīng)于3D打印組件的分辨率。在本文進(jìn)行的整個(gè)仿真過程中，該間隙在100至300 μm之間變化。它覆蓋了典型的電子束熔化（EBM）機(jī)的大多數(shù)層厚度范圍，介于50至200 μm之間，并且有望成為葉片與待涂覆的熔化表面之間的間隙的典型特征（其本身由填充分?jǐn)?shù)決定）沉積層），”作者說。

作者選擇了模擬機(jī)制，因?yàn)樗麄兣︼@示3D打印機(jī)或工業(yè)AM硬件的“縱向切片”。

“模擬對水平y(tǒng)方向采用周期性邊界，這意味著在y方向上的最終影響可以忽略不計(jì)。通過在水平x方向上考慮使用12 mm的長度，并監(jiān)視了10 mm的有效長度以進(jìn)行層沉積分析，可以進(jìn)一步減少仿真范圍?！?br />
他們研究了粉末鋪展的內(nèi)在行為，以及當(dāng)改變縫隙厚度和鋪展速度時(shí)發(fā)生的情況。

散布過程中不同時(shí)間的粉末運(yùn)動快照

0.0秒b 0.01秒c 0.02秒d 0.03秒。 e 0.09秒。 f 0.122秒。 vw = 100毫米/秒，δ= 4d

擴(kuò)散器前面每個(gè)子層中的粒子x速度隨時(shí)間變化，vw = 100 mm / s，δ= 4d

然后，作者還開始探索工藝參數(shù)（涉及粉末，機(jī)器和工藝特性），間隙厚度和撒布速度的影響。

鋪展速度對最終填充率δ= 4d的影響

總體而言，與初始堆相比，三種機(jī)制導(dǎo)致的填充摩擦小得多：

第一個(gè)機(jī)制–初始剪切誘導(dǎo)的膨脹
第二種機(jī)制–間隙區(qū)域中的同化粉膨脹和重新排列
第三種機(jī)理–質(zhì)量守恒和顆粒不再在粉末層中移動

研究表明，改變縫隙厚度或撒布速度可以通過抑制或促進(jìn)這些機(jī)理中的一種或多種來控制最終的填充率。研究人員總結(jié)說：“最終的層填充率隨著間隙厚度的增加而增加，而隨著撒布速度的降低而減小。“間隙中產(chǎn)生的速度分布直接影響最終的層堆積率，該區(qū)域的平均速度決定了最終的層堆積率?！?br />
“這項(xiàng)理想化研究中提出的分析可以幫助創(chuàng)建一個(gè)框架，以嚴(yán)格研究和優(yōu)化AM中粉末散布的過程。它可以用來了解顆粒性質(zhì)的作用，例如粒度分布，形態(tài)和內(nèi)聚性，以及它們與工藝參數(shù)的相互作用。”

如今，金屬粉末一直是許多研究的主題，特別是隨著世界各地的制造商努力利用它的力量，由于涉及改進(jìn)的合金、貴金屬、嵌入式電子產(chǎn)品等的研究，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度非常高的高性能零件。