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 激光粉末床融合3D打印需要付出巨大的努力來確保生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，金屬印刷品有很多可能出錯(cuò)的地方，如孔隙率和殘余應(yīng)力，這會(huì)導(dǎo)致變形和部件失效。因此，盡可能優(yōu)化機(jī)器參數(shù)非常重要。在一篇題為“基于不同熱導(dǎo)率和吸收率的體積熱源制造的激光粉末床熔融添加劑制造的三維傳熱模型”的論文中，比較了用于模擬激光粉末床熔合的八個(gè)3D熱源，并且提出了不同的導(dǎo)熱系數(shù)和激光吸收率。

熱源模型的示意圖，（a）圓柱形; （b）半球形; （c）半橢圓形; （d）圓錐形狀，

（e）輻射轉(zhuǎn)移方法; （f）射線追蹤法; （g）線性衰減方法; （h）指數(shù)衰減方法

“熔池中的物理現(xiàn)象非常復(fù)雜，主要受質(zhì)量和傳熱控制，”研究人員解釋說。 “由于粉末顆粒上的快速激光照射，加熱和冷卻速率非常高。此外，在熔池下方的動(dòng)態(tài)熔池開發(fā)，從液體到蒸汽和等離子體的相變動(dòng)力學(xué)，以及由高速金屬蒸汽流和毛細(xì)效應(yīng)吸收的粉末顆粒存在于熔池中。因此，為了模擬幾種復(fù)雜的熔池行為，已經(jīng)建立了包括若干細(xì)節(jié)的精細(xì)尺度數(shù)值模型，例如隨機(jī)分布的粒子中的激光射線追蹤和熱流體動(dòng)力學(xué)。然而，這種模擬的計(jì)算成本非常高。“

因此，研究人員提出了有效的模擬模型，其具有一定的近似和假設(shè)來預(yù)測熔池的尺寸，以減少計(jì)算時(shí)間。實(shí)驗(yàn)在EOS M 290機(jī)器上進(jìn)行。為了準(zhǔn)確預(yù)測熔池尺寸和表面特征，開發(fā)了激光粉末床熔合的三維傳熱有限元模型。

溫度依賴的熱材料特性（a）SS17-4PH的密度; （b）SS17-4PH的導(dǎo)熱系數(shù);

（c）SS17-4PH的熱容量; （d）低碳鋼的材料特性

“根據(jù)文獻(xiàn)綜述，有8種熱源模型用于LPBF的數(shù)值模擬，可歸類為1）幾何修正組（GMG）; 2）吸收率分布組（APG），“研究人員表示。 “進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證模擬結(jié)果。與實(shí)驗(yàn)相比，所有八種熱源模型都導(dǎo)致40％以上的熔池變淺。“

不銹鋼粉末顆粒

為了提高模型性能，提出了一種具有各向異性增強(qiáng)導(dǎo)熱系數(shù)和不同吸收率的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于指數(shù)衰減熱源的傳熱模擬。

研究人員得出兩個(gè)主要結(jié)論：“各向異性增強(qiáng)的熱導(dǎo)率和變化的吸收率的表達(dá)式是線性代數(shù)方程，”他們說。 “模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的一致性很好。熔池寬度和深度的平均誤差分別為2.9％和7.3％。“所提出的傳熱模型已經(jīng)通過表面特征，軌道穩(wěn)定性和波紋角進(jìn)一步驗(yàn)證。對于軌道穩(wěn)定性，預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。此外，模擬的紋波角度在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的范圍內(nèi)。“

他們還得出結(jié)論，熱源表達(dá)式可以是線性的，同時(shí)使模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)熔池尺寸和軌道表面形態(tài)更好地一致。