在金属3D打印过程中，国际上对于激光3D打印熔池凝固行为的研究主要侧重于温度场，并通过对温度场数据的后期二次处理间接获得温度梯度、熔池凝固速率等数据，无法在时间和空间上实现对凝固行为的主动跟踪记录。通过人为后期二次处理间接获得热物理数据，易存在数据点捕捉不准确，数据精度差等缺点，不利于对3D打印熔池凝固行为作精确分析。

南京航空航天大学顾冬冬教授团队尝试用算法来基于时间和空间的变化主动跟踪激光3D打印熔池的凝固行为。这一点与天气预报的逻辑可以说是有着异曲同工的妙处。

为什么要研究熔池的凝固行为呢？激光加工过程中，熔池的凝固行为对激光3D打印最终成形件的综合性能具有至关重要的影响。凝固速率过慢引起的晶粒粗化将极大地降低材料强度；凝固速率过快易造成制件内部微裂纹和孔隙等加工缺陷，导致制件使用过程中的提前失效。同时，伴随凝固行为产生的残余应力集中问题与制件尺寸精度和表面粗糙度有密切联系。

针对激光3D打印熔池凝固行为的数值模拟是一项涉及三维空间尺度和复杂物理冶金现象，包括质量、动量及热量等多重传递的综合性研究工作，以往对于激光3D打印熔池凝固行为的研究主要侧重于温度场，并通过对温度场数据的后期二次处理间接获得温度梯度、熔池凝固速率等数据，无法在时间和空间上实现对凝固行为的主动跟踪记录。

激光3D打印过程具有高温熔化粉体并伴随有熔池快速冷却的特点，实验观测-记录-分析熔池凝固行为是不易实现的，但熔池凝固过程中涉及的温度场、温度梯度、熔池凝固速率等直接影响成形件服役性能，良好的凝固行为可削弱应力累积，并实现残余应力的合理分布，有效降低成形件内部微裂纹和孔隙的产生，避免制件在承载过程中提前失效。

南京航空航天大学基于有限元模拟软件，计算流程进行激光3D打印温度场计算。 采用牛顿-拉普森方法计算三维热传导控制方程，并使其计算迭代直至计算收敛，最终得到激光3D打印熔池温度场、凝固速率、温度梯度及熔池形态。

南京航空航天大学的方法包括如下步骤：

- 3D打印三维有限元模型的建立

在有限元模拟软件中建立工件的计算几何模型以及定义工件的材料属性，并对工件进行网格划分，最终获得工件的三维有限元模型；

- 控制方程的建立

针对第一步建立的三维有限元模型，建立控制方程；所述的控制方程为三维热传导方程，同时根据前述的三维有限元模型，设置三维热传导方程的初始条件、边界条件；

- 3D打印温度场计算

根据第二步骤设置的初始条件以及边界条件，采用牛顿-拉普森方法计算三维热传导方程，得到在三维有限元模型的不同位点施加高斯热源时，三维有限元模型中各网格节点在3D打印过程中随时间变化的温度T，即得到三维有限元模型的温度场；

南京航空航天大学的方法具有如下的有益效果： 

建立对应关系: 利用计算机模拟激光3D打印过程，采用激光3D打印有限元模型，实现了对加工过程中熔池凝固行为在时间和空间上的主动跟踪记录，能够更加准确地捕捉节点信息，记录热物理数据，进而分析并掌握激光3D打印过程熔池凝固行为，从而建立工艺-凝固行为-组织-性能之间的对应关系，为制定和优化复合材料加工工艺，改善3D打印成形件综合性能提供理论指导。

准确：通过数值模拟、材料学和材料热力学等多学科相结合，同时考虑了激光加工过程中粉体-连续固体-相变-凝固问题作用，通过对温度场模型求解，并主动跟踪计算相应点的凝固速率，准确获得了加工过程中的熔池凝固行为，计算结果与实验结果相吻合

图：激光3D打印过程数值模拟所建有限元模型，来源：南京航空航天大学 

图：激光3D打印过程熔池上表面及横截面温度场分布云图，熔池上表面温度场分布云图，来源：南京航空航天大学 

图：激光3D打印过程熔池上表面及横截面温度场分布云图，熔池横截面温度场分布云图。来源：南京航空航天大学 

图：激光3D打印过程熔池宽度和深度方向的温度分布，熔池宽度方向的温度分布。来源：南京航空航天大学 

图：激光3D打印过程熔池宽度和深度方向的温度分布，熔池深度方向的温度分布。来源：南京航空航天大学 

图为激光3D打印过程熔池横截面形态。 来源：南京航空航天大学 

图为激光3D打印过程熔池冷却速率。 来源：南京航空航天大学 

图7为激光3D打印熔池横截面SEM图。来源：南京航空航天大学 

图8为激光3D打印成形件表面形貌SEM图。 来源：南京航空航天大学 

根据3D科学谷的市场研究，国际上以Sigma Labs (NASDAQ:SGLB) 为代表的企业采用算法和熔池检测的手段来实现对激光3D打印过程检查与控制，Sigma Labs合作的公司不乏3D打印生态圈的大牌企业，包括GE、EOS、霍尼韦尔、Aerojet Rocketdyne、Farinia Group-Spartacus 3D、西门子、Safran集团、普惠Pratt & Whitney、罗罗Rolls Royce、Sisma (意大利)、米其林五孚 (法国)、Aspect (日本)、Additive Industries、雷尼绍Renishaw、SpaceX、Moog Inc/Linear、宝马、Layerwise (3D Systems)等等。Sigma Labs将监测手段和算法上升为软件推出了PrintRite3D® DEFORM™实时逐层控制打印质量软件。

南京航空航天大学关于熔池中对粉末融化过程中的理解建立了一系列的方法，包括复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟，关于激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟，以及本文中基于时间和空间的变化主动跟踪激光3D打印熔池的凝固行为。3D科学谷认为这些努力弥补了我国在金属3D 打印方面算法上与国际的差距，后续南京航空航天大学在这一领域是否基于研究成果将有商业化的软件出现，3D科学谷将保持持续关注。

参考资料：CN105718690A

版权所有3D Science Valley, 转载请链接至：www.51shape.com
网站投稿请发送至editor@51shape.com

如何通过算法从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程，而不是凭着经验来判断加工参数应该如何设置？本期3D科学谷与谷友一起来学习南京航空航天大学顾冬冬教授团队在微观层面上如何实现激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟。

图：激光点和邻近被加热的材料

一直以来，围绕激光和粉层的作用机理和过程控制的研究并不多见，虽然许多关于熔池的模拟也取得了一定的研究成果，但市场上的研究大多集中在温度场和应力场的模拟，是通过改变加工参数来观察温度场和应力场的变化，从而分析预测不同加工参数对成形件最终质量的影响，并且建立的模型都是宏观层面的。这些研究将粉层视为连续均匀的介质，即相当于把粉末层视为块体，并未考虑粉末颗粒堆垛的特殊结构所带来的影响。

现实中，由于粉末颗粒之间存在大量的孔隙，因而粉体对激光的吸收不同于块体，空隙对激光的吸收类似于黑体，激光经过穿透和反射可以进入粉层更深处，这就大大提高了材料对激光的吸收率。并且，粉末颗粒的外表面多为球体或者其他不规则多面体，大大增加了表面积，也提高了粉层表面的受光面积，这也与块体材料所不同。所以从颗粒尺度模拟粉层的凝固熔化、传热传质过程是有必要的。

南京航空航天大学顾冬冬教授团队针对上述市场上技术的不足，提供了激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法。考虑到粉末颗粒堆垛结构对激光吸收率的影响，在介观尺度下模拟粉末颗粒与激光耦合的过程，对耦合过程的温度进行数值模拟以记录粉末颗粒熔化过程，无需改变加工参数后观察温度场和的变化，解决了现有技术在宏观层面建立熔池模型且未考虑粉末颗粒堆垛结构对光固耦合过程的影响的技术问题。

包括如下步骤：

- 在介观尺度下建立粉床的三维随机分布颗粒堆积模型，所述三维随机分布颗粒堆积模型通过向介观尺度下粉床部分及其上方空气区域组成的计算区域内随机填充粉末颗粒形成；

- 构建所述三维随机分布颗粒堆积模型的控制方程；

- 采用多相流算法在控制方程约束下解算所述三维随机分布颗粒堆积模型以获取熔化流动过程。

图：介观尺度的粉床模型原理图，来源南京航空航天大学

 图：纯AlSi10Mg颗粒模型网格划分图，来源南京航空航天大学

 图：AlSi10Mg+TiC增强相复合材料模型网格划分图，来源南京航空航天大学

图：AlSi10Mg颗粒与激光耦合过程温度分布云图，来源南京航空航天大学

 图：AlSi10Mg颗粒受激光辐射熔化过程动态演变截面图，来源南京航空航天大学

图：颗粒在激光辐射下烧结颈形成的过程演变图，来源南京航空航天大学

南京航空航天大学顾冬冬教授团队的技术方案，具有以下优点：

优点一：考虑了粉层中不同材料颗粒的大小，颗粒间隙中气相的存在等因素，不再将粉尘视为连续性均匀介质，从介观尺度采用离散元法生成三维空间颗粒随机分布的堆垛模型，建立的随机分布堆垛模型更加接近粉末颗粒的物理模型，为模拟激光束与粉末颗粒光固耦合提供了基础；

优点二：构建随机分布堆垛模型的控制方程并建立多相流计算模型，由采用求解压力耦合的质量、能量、动量传递方程进行迭代求解光固耦合过程中的温度；

优点三：通过对光固耦合温度的数值模拟得到粉尘颗粒熔化记录，观察到不同时刻由颗粒熔化坍塌流动形成三维熔池的具体过程，获得了沿着某一横截面和纵截面的温度分布图、速度矢量图以及烧结颈形成图，并可根据模拟结果初步预测出烧结成形件的致密度和孔隙有可能出现的位置。

激光点加热金属粉末，每个激光点创建了一个微型熔池，从粉末融化到冷却成为固体结构，光斑的大小以及功率带来的热量的大小决定了这个微型熔池的大小，从而影响着零件的微晶结构。南京航空航天大学的研究对现有技术做出的贡献在于可以以软件产品的形式体现出来，从而使高质量的制造更加具有一致性，可控性和可追溯性。

参考资料：CN105389435A
版权所有3D Science Valley, 转载请链接至：www.51shape.com
网站投稿请发送至editor@51shape.com

除了国际上研究的融化过程前、中、后变量之间的相互作用，在复合材料激光加工过程中，又发生了什么呢？复合材料中的增强颗粒与熔体间是如何相互影响的呢？我国是否在研究金属融化过程中的变量相关性上有关键进展呢？本期，3D科学谷与谷友一起来学习下南京航空航天大学顾冬冬教授团队的“新得”，看一下他们的创新是如何填补了国际上的空白。

激光加工过程中，熔池内增强颗粒与熔体界面间的传热传质过程对颗粒的运动行为有重要影响，进而影响组织的均匀性；尤其对比重悬殊的材料体系，激光导致的非平衡熔池将加速颗粒的上浮或下沉；同时，增强颗粒的分布形态还与熔体的流动与液固前沿有密切联系。

增强颗粒与熔体界面传热传质的数值模拟是涉及三维空间尺度和多物理场的复杂研究工作，以往的研究工作侧重于整个熔池的温度场与速度场，包括粉体熔化界面、凝固界面和气-液界面，但都基本没有涉及熔体与增强颗粒间的相互作用，尤其是定量地分析增强颗粒与熔体间传热传质过程。与增强颗粒毗邻的金属熔体具有较大温度梯度和变化较为明显的动力粘度，即存在着流体力学中的热边界层。

增强颗粒在激光作用下，其表面会发生熔化并伴随着元素扩散，进而颗粒/熔体界面附近会形成化学成分梯度。在化学成分梯度和温度梯度共同作用下，颗粒/熔体界面处流体的流变特性将极为复杂，目前只能依靠一些经验值和不完善的数学模型进行解析计算，不能定量且动态地反应增强颗粒与熔体界面间的冶金行为。

同时，激光加工具有高温过热熔化粉体并伴随着熔池快速冷却的特点，实验观察是不现实的。但熔体的增强颗粒在凝固基体中的分布情况直接影响其服役性能，均匀分布的增强颗粒可有效地传递和承载基体所受载荷，避免早期失效。目前，还没有工程可用的激光加工过程熔池内增强颗粒与熔体界面传热传质模拟操作软件。

为此，南京航空航天大学发明了激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法。

步骤包括：

第一步：建立包括颗粒和熔体复合熔池三维温度场与流场模型 

在Gambit软件中建立零件计算几何模型，并对零件计算几何模型进行网格划分：先将零件计算几何模型分割成规则区域与不规则区域，其中，规则区域划分为六面体网格，而不规则区域则利用四面体网格进行划分；颗粒的周围加大网格密度，远离颗粒的区域疏化网格，当计算结果不随网格精度的增加而变化时，表明模型的计算精度与效率达到了合理化；

第二步：针对第一步建立的物理几何模型建立主控方程 

主控方程由质量方程、动量方程和能量守恒方程构成。

第三步：基于计算流体力学软件，进行颗粒与熔体间传热传质的计算

将建立的物理几何模型导入计算流体力学软件，并设置好初始和边界条件，定义熔体流动为层流，采用压力耦合和隐式方法求解质量、动量和能量控制方程，并使其计算迭代直到计算收敛，得到激光加工过程中熔池内颗粒与熔体间温度场、速度场、液相体积分数、受力情况与最终分布形态，导出数据并进行后处理。

图：激光加工过程熔池上表面温度场分布，来源：南京航空航天大学

图:激光加工过程熔池内增强颗粒与熔体界面速度场分布，来源：南京航空航天大学 

图:激光加工过程熔池内增强颗粒与熔体界面压强分布，来源：南京航空航天大学 

图:激光加工后凝固基体中增强颗粒体积分布云图，来源：南京航空航天大学

图:激光加工熔池内增强颗粒与熔体界面附近流场分布及受力示意图，来源：南京航空航天大学 

图:激光实验加工增强颗粒在凝固基体分布SEM图，来源：南京航空航天大学 

南京航空航天大学发明的激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的模拟方法具有如下好处：

一、利用计算机模拟激光加工过程，采用激光加工过程中熔池内增强颗粒与熔体界面间传热传质的数学物理模型，实现了激光加工凝固后增强颗粒在基体分布状态的模拟，能够动态且定量地研究增强颗粒与熔体界面的温度场、速度场和压力场等，进而预测增强颗粒在凝固基体中的分布状态，从而建立了工艺-界面传热传质过程-组织之间的映射关系，为制定复合材料激光加工工艺，改善增强颗粒在基体中的分布状态和获得均匀的显微组织提供理论指导。因此，南京航空航天大学解决了激光加工过程基于经验或半经验的确定性模型或解析计算问题，实现了增强颗粒与熔体界面间传热传质的定量研究，准确预测增强颗粒在凝固基体中的分布状态。

二、以增强颗粒与熔体界面传热传质为桥梁建立与宏观温度场之间的联系，实现了微观-宏观的多尺度耦合模拟，揭示了增强颗粒与熔体界面间的传热传质规律，即增强颗粒在熔体作用下的运动机制和最终在凝固组织中的分布状态。

三、利用数值模拟、流体动力学和材料热力学等多学科结合，在不同尺度和位置上再现增强颗粒与熔体界面间的传热传质过程，定量研究增强颗粒冶金热力学和动力学机制，并且可预测增强颗粒分布状态，计算结果和实验结果相吻合。

除了研究激光3D打印复合材料熔池内增强相与熔体界面传热传质的相关性，南京航空航天大学还研究了基于时间和空间主动跟踪的激光3D打印熔池凝固行为数值模拟方法，激光束与粉末颗粒光固耦合过程的介观模拟方法等等。

参考资料：CN105868434A

版权所有3D Science Valley, 转载请链接至：www.51shape.com
网站投稿请发送至editor@51shape.com