碩士學(xué)位論文-基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化飛濺行為機理研究-劉揚中中國知網(wǎng)https:W飛濺行為機理研究I基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化飛濺行為機理研究選區(qū)激光熔化作為增材制造技術(shù)中一種先進的制造方法，已經(jīng)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在選區(qū)激光熔化過程中產(chǎn)生的飛濺缺陷不僅嚴重影響了制造零件的機械性能，還會污染粉末床，導(dǎo)致粉末回收率降低。目前去除飛濺顆粒最有效的方式是通入保護氣流。因此有必要深入了解保護氣流和飛濺顆粒之間的相互作用關(guān)系，探討不同因素對飛濺去除沉積的影響。本文采用歐拉-拉格朗日法對保護氣流-飛濺顆粒相互作用進行了數(shù)值模擬，對成型腔內(nèi)部氣流及飛濺顆粒運動軌跡進行了分析，研究了保護氣流入口高度和寬度、氣流速度、掃描策略對飛濺去除及沉積情況。隨后引入了粉末床及金屬蒸氣，研究了金屬蒸氣噴射角度、粉末層厚、粉末材料以及重力效應(yīng)對飛濺生成及去除的影響。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：（1）建立了選區(qū)激光熔化成型腔和飛濺模型，研究了入口高度和寬度對成型腔內(nèi)部氣流分布和飛濺去除的影響。入口高度越高，渦流現(xiàn)象越明顯，導(dǎo)致飛濺去除率降低，并且飛濺沉積范圍變大。入口寬度越大，低速飛濺顆粒去除率越大。在入口高度為10mm，入口寬度為115mm時，飛濺去除效果最好。（2）研究了入口流速和掃描策略對飛濺的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，入口流速越大，飛濺去除率越大，并且飛濺去除率和流速近似呈線性關(guān)系。當入口流速大于5m/s時，飛濺去除率趨于穩(wěn)定。不同掃描策略下飛濺去除沉積情況不同，在入口流速為3m/s時，隨著掃描方向和保護氣流方向之間角度的增加，飛濺去除率也相應(yīng)增加。在逆氣流掃描時，飛濺去除效果（3）為了觀察飛濺顆粒的產(chǎn)生，引入了金屬蒸氣和粉末床，再現(xiàn)了飛濺剝蝕現(xiàn)象，進一步證明了金屬蒸氣是引發(fā)粉末飛濺的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)，飛濺初始運動受金屬蒸氣方向的影響，在90°蒸氣噴射角時產(chǎn)生飛濺數(shù)量最少，飛濺去除率最高。隨著保護氣流速和金屬蒸氣角度增加，沉積在粉末床左側(cè)的飛濺顆粒增加。（4）研究了粉末層厚、粉末材料及重力效應(yīng)下的飛濺情況。其中粉末層厚越大，產(chǎn)生的飛濺顆粒數(shù)量越多，但相應(yīng)的飛濺去除率要更低。對于質(zhì)量密度較小的粉末材料，在金屬蒸氣作用下產(chǎn)生的飛濺顆粒會增加，相應(yīng)的飛濺顆粒去除率也有所增加。在高重力環(huán)境下，能夠抑制飛濺的產(chǎn)生，但對于以產(chǎn)生的飛濺，難以對其進行去除。關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化CFD-DEM金屬蒸氣保護氣飛濺顆粒IIIMECHANISTICSTUDYOFSPATTERBEHAVIORINSELECTIVELASERMELTINGPROCESSBASEDONCFD-DEMCouplingSelectiveLaserMelting(SLM),asanadvancedmanufacturingmethodinadditivemanufacturingtechnology,hasbeenwidelyappliedacrossvariousfields.However,thespatterdefectsgeneratedduringtheselectivelasermeltingprocessnotonlysignificantlyaffectthemechanicalpropertiesofmanufacturedpartsbutalsocontaminatethepowderbed,leadingtoadecreaseinpowderrecyclingefficiency.Currently,themosteffectivemethodforremovingspatterparticlesisbyintroducingprotectivegas.Therefore,itisessentialtogainadeeperunderstandingoftheinteractionbetweenprotectivegasandspatterparticles,andtoexploretheinfluenceofdifferentfactorsonspatterremovalanddeposition.ThestudyemployedtheEuler-Lagrangemethodtonumericallysimulatetheinteractionbetweentheprotectivegasandspatterparticles.Ananalysisofthegasflowandspatterparticletrajectorieswithintheformingchamberwasconducted,investigatingtheeffectsofinletheightandwidthoftheprotectivegas,gasflowvelocity,andscanningstrategyonspatterremovalanddeposition.Subsequently,powderbedandmetalvaporwereintroducedtostudytheeffectsofmetalvaporjettingangle,powderlayerthickness,powdermaterial,andgravityeffectsonspattergenerationandremoval.Themainresearchcontentandconclusionsareasfollows:(1)Aselectivelasermeltingformingchamberandaspattermodelwereestablishedtoinvestigatetheinfluenceofinletheightandwidthongasflowdistributionandspatterremovalwithintheformingchamber.Higherinletheightsresultedinmorepronouncedvortexphenomena,leadingtodecreasedspatterremovalefficiencyandincreasedspatterdepositionarea.Additionally,widerinletwidthscorrelatedwithhigherremovalratesoflow-speedspatterparticles.OptimalspatterremovalconditionswereobservedataninletheightofIV10mmandaninletwidthof115mm.(2)Subsequently,theimpactofinletflowvelocityandscanningstrategiesonspatterwasinvestigated.Itwasfoundthathigherinletflowvelocitiescorrelatewithincreasedspatterremovalrates,exhibitinganapproximatelinearrelationship.Spatterremovalratesreachedstabilitywhentheinletflowvelocityexceeds5m/s.Differentscanningstrategiesresultedvariedspatterremovalanddepositionoutcomes.Ataninletflowvelocityof3m/s,increasingtheanglebetweenthescanningdirectionandthedirectionoftheprotectivegasflowcorrespondinglyenhancespatterremovalrates.Themosteffectivespatterremovalwasobservedduringcounter-flowscanning.(3)Toobservethegenerationofspatterparticles,theintroductionofmetalvaporandpowderbedwasimplemented,replicatingthespatteringdenudationphenomenon.Thisfurthercorroboratedmetalvaporastheprimarytriggerforpowderspattering.Thestudyrevealedthattheinitialmotionofspatterwasinfluencedbythedirectionofmetalvapor.Ata90°vaporjetangle,theminimumspatterquantityandhighestspatterremovalratewereobserved.Withincreasingprotectivegasflowvelocityandmetalvaporangle,spatterparticlesdepositedontheleftsideofthepowderbedincreased.(4)Thestudyinvestigatedspatterundervaryingpowderlayerthickness,powdermaterials,andgravityeffects.Athickerpowderlayerresultedinagreaternumberofspatterparticlesgenerated,albeitwithalowercorrespondingspatterremovalrate.Forpowdermaterialswithlowermassdensity,spatterparticlesgeneratedundertheinfluenceofmetalvaporincreased,leadingtoacorrespondingincreaseinspatterparticleremovalrate.Inhigh-gravityenvironments,spattergenerationcouldbesuppressed,butoncespatterwasproduced,itbecamechallengingtoremoveit.KEYWORDS:Selectivelasermelting;CFD-DEM;Metalvapor;Protectivegas;Spatterparticle第一章緒論 1.1課題背景及意義 1.2選區(qū)激光熔化技術(shù)原理及發(fā)展 21.3選區(qū)激光熔化飛濺研究現(xiàn)狀 41.3.1選區(qū)激光熔化飛濺產(chǎn)生機理 41.3.2選區(qū)激光熔化飛濺的危害 71.3.3選區(qū)激光熔化飛濺對策 91.4課題主要研究內(nèi)容 第二章CFD-DEM數(shù)值求解模型 2.2耦合方法簡述 2.3計算流體力學(xué) 2.4離散單元法 2.4.1DEM基本原理 2.4.2接觸模型 2.5CFD-DEM耦合 202.6本章小結(jié) 21第三章保護氣流下飛濺的模擬研究 22 223.2計算模型 223.2.1幾何模型及網(wǎng)格劃分 223.2.2網(wǎng)格無關(guān)性 233.3仿真條件設(shè)置 243.3.1控制方程 243.3.2飛濺初始條件 253.3.3模擬參數(shù)設(shè)置 263.4流場及飛濺分析 273.4.1流場分析 273.4.2飛濺分析 293.5入口高度對氣流及飛濺的影響 303.6入口寬度對氣流及飛濺的影響 343.7入口流速對飛濺的影響 363.8掃描策略對飛濺的影響 393.9本章小結(jié) 43第四章保護氣-金屬蒸氣耦合下的飛濺模擬研究 44 444.2模型改進及網(wǎng)格劃分 444.3模擬條件設(shè)置 454.4飛濺及剝蝕分析 464.4.1飛濺動力學(xué)分析 464.4.2剝蝕分析 484.5保護氣流速度和金屬蒸氣角度對飛濺的影響 484.5.1流體分析 484.5.2不同噴射角度及保護氣流速度下飛濺行為 514.5.3飛濺顆粒的沉積及去除 534.6粉末層厚對飛濺的影響 554.7粉末材料對飛濺的影響 584.8重力效應(yīng)對飛濺的影響 604.9本章小結(jié) 63第五章結(jié)論與展望 655.1結(jié)論 655.2創(chuàng)新點 655.3展望 66參考文獻 67廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化1第一章緒論1.1課題背景及意義在21世紀，智能技術(shù)和生產(chǎn)系統(tǒng)被整合在一起。其中，增材制造（AdditiveManufacturing,AM）技術(shù)在滿足第四次工業(yè)革命的一些基本要求方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。增材制造技術(shù)是一種發(fā)源于上世紀八十年代后期的先進制造技術(shù)，基于離散-堆積原理，通過逐層堆疊材料層的加工方式近凈成形復(fù)雜組件[1]。傳統(tǒng)的制造方法往往存在加工精度受限、加工周期長、加工成傳統(tǒng)的制造方法相比，增材制造技術(shù)可以在不使用模具的前提下直接從數(shù)字模型生成具有卓越機械特性的致密而堅固的部件。因此，增材制造工藝需要的前期準備工作相增材制造采用一種以逐層堆疊材料構(gòu)建三維物體的制造工藝，因此在縮短打印時間方各個行業(yè)產(chǎn)生深遠影響，并且能夠推動未來經(jīng)濟的發(fā)展和轉(zhuǎn)型[6]。中國制造業(yè)長久以來從事著競爭力薄弱的加工組裝環(huán)節(jié)，存在資源浪費、產(chǎn)業(yè)利潤低、設(shè)備落后等諸多問題[7]。為了實現(xiàn)中國制造業(yè)由大到強的轉(zhuǎn)型，在《中國制造蓋了完整的生態(tài)創(chuàng)新體系，整體水平和國際水平不相上下，并在部分領(lǐng)域達到了領(lǐng)先圖1-1增材制造部分應(yīng)用:（a）航空航天應(yīng)用[9]b）醫(yī)療應(yīng)用[1Fig.1-1Additivemanufacturingselectedapplications:(a)Aerospaceapplication[9];(b)Medicalapplication[10]廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化2性能低于鍛造零件[12,13]。同時，氣孔、飛濺、剝蝕和熱應(yīng)力變形等誘發(fā)缺陷對制造零原因之一。金屬粉末在高功率激光作用下熔化，形成熔池。飛濺現(xiàn)象指的是在一定條件下，熔池中的金屬顆粒或小液滴從熔池中噴射出來的現(xiàn)象[16,17]。若不及時將飛濺顆粒從成型腔內(nèi)去除，沉積的飛濺顆粒不但會造成粉末床污染，影響粉末回收利用，還會間接形成孔隙等其它缺陷。為了能夠提高打印零件的機械性能及質(zhì)量，有必要對用計算機建模仿真方法，深入了解SLM過程中飛濺的動態(tài)行為以及氣流和飛濺顆粒的相互作用，揭示工藝過程中飛濺運行規(guī)律及沉積分布情況，探究影響飛濺的工藝參數(shù)。此外，通過引入金屬蒸氣和粉末床，揭示飛濺和剝蝕缺陷的形成機理，探討了粉用過程提供理論基礎(chǔ)，對提高打印零件質(zhì)量具有重要1.2選區(qū)激光熔化技術(shù)原理及發(fā)展選區(qū)激光熔化是一種利用高功率激光實現(xiàn)金屬粉末完全熔化，進行零部件生產(chǎn)的程可分為三個階段。第一個階段：利用計算機輔助設(shè)何模型的設(shè)計和創(chuàng)建，隨后使用切片軟件對幾何模型進行分層處理，每一層對應(yīng)于制造過程中的一個截面。最后將分層后的文件導(dǎo)激光掃描速度、層厚以及掃描路徑等相關(guān)參數(shù)。第二個階段：對需要打印的金屬粉末整個打印過程結(jié)束。第三個階段：打印結(jié)束后，對制備好的零件進行切割及拋光打磨下被均勻的平鋪在工作臺上。隨后，激光束根據(jù)當前打印層的相關(guān)參數(shù)逐層掃描金屬粉末，將其快速熔化并凝固。隨著每一層的完成，建造臺都會下降一個固定的距離，廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化3Fig.1-2Theschematicdiagramofselectivelasermeltingprinciple在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，擁有先進的設(shè)備和豐富經(jīng)驗[20]。國內(nèi)在該賽道的起跑時間較晚，但隨著近些年的追趕，國內(nèi)同類型產(chǎn)品的技術(shù)積累方面取得了顯著進步。其中西術(shù)發(fā)展的潮流，相繼推出了能顯著提升生產(chǎn)效率并支持更大體積打印的激光粉末床金當前大多數(shù)用于SLM研究的金屬粉末材航天、核工業(yè)等廣泛工業(yè)應(yīng)用中必不可少的合金[22]。航空航天工業(yè)對材料有嚴格的要求，需要同時具備輕量化和高強度的特點，以減少排放、節(jié)約燃料，并符合安全標準[23]。因此，航空航天部件的設(shè)計需要考慮材料的使用情況，增加了部件結(jié)構(gòu)、功能和性能的復(fù)雜性。增材制造技術(shù)可以用于自由曲面的制造，通過其逐層方法能夠制造出更加通用、優(yōu)化重量和強度的零件。波音公司和空中客車公司都采用了增材制造技術(shù)來制造和維修多個零部件。其中波音公司通過增構(gòu)目前正在探索在其火箭發(fā)動機上使用增材制造打印點火器、噴油器和燃燒室的可行廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化4汽車行業(yè)是全球競爭最激烈的商業(yè)領(lǐng)域之一。持續(xù)的技術(shù)進步和新的設(shè)計趨勢要求不斷創(chuàng)新制造技術(shù)才能跟上行業(yè)的步伐[25]。增材制造作為一種能夠生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性良好零件的制造技術(shù)，對汽車制造業(yè)的競爭具有重大影響。通過增材制造工藝，可以在保持相對強度的同時制造出具有復(fù)雜形狀的零件，從而大大減輕汽車零部件的重量[26]。這不僅有助于提高汽車的燃油效準和安全要求，促進汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。福特汽車正在使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)發(fā)增材制造給醫(yī)療保健行業(yè)帶來的最大好處是能夠自由制造專業(yè)醫(yī)療用品和器械，這種靈活性和定制化的生產(chǎn)方式為醫(yī)療領(lǐng)域帶來了巨大的益處。通過增材制造打印個性化植入物和假體對患者和醫(yī)療專業(yè)人員非常有益[27]。此外，用于外科手術(shù)的定制夾具也能夠通過增材制造生產(chǎn)。使用定制的植入物、夾具和手術(shù)設(shè)備，能夠提高手術(shù)或雖然增材制造技術(shù)近年來有所改進，但在打印過程中確保穩(wěn)定的質(zhì)量，尤其是在處理復(fù)雜或大型部件時，仍然是一項重大挑戰(zhàn)[28]。由于會影響打印過程，因此最終輸出結(jié)果可能會出現(xiàn)差異[29]。許多變量，包括打印參數(shù)、材料來源和后處理階段，都會影響零件的質(zhì)量問題。必須對打印過程中造成的缺陷進1.3選區(qū)激光熔化飛濺研究現(xiàn)狀1.3.1選區(qū)激光熔化飛濺產(chǎn)生機理程。因此，在從粉末層形成到熔化和凝固的不同階段，在廣泛的時間和長度尺度范圍內(nèi)發(fā)生熔池動力學(xué)和復(fù)雜的物理現(xiàn)象。在此過程中，熔池動力學(xué)受到多種影響。其中包括熔池表面的表面張力梯度引起的馬蘭戈尼效應(yīng)驅(qū)動的熔融金屬對流，以及金屬蒸氣的反沖壓力和蒸發(fā)損失[30,31]。這些影響因素涉及多種粒相互作用、粉末層形成、傳熱過程、熔池的流體動力學(xué)以及相變。隨著激光束在粉末床上方移動，熔池在其后方被拉長，并在激光前方稍有延伸，由于熔池上方表面張力對溫度的依賴性，導(dǎo)致熔池不均勻。此外，由于金屬蒸發(fā)和表面張力引起的氣體流動的耦合效應(yīng)導(dǎo)致了飛濺的形成[32]。氣固相互作用和氣液相互作用是產(chǎn)生飛濺的主要機制。飛濺對成型過程是一種損害， 程中，金屬粉末的種類、粉末顆粒的大小和均勻性、粉末層厚度、激光束參數(shù)、激光廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化5研究學(xué)者對飛濺形成機理進行了廣泛的研究[35]。形成熔池，在熔池系統(tǒng)中，熔池受到反沖壓力和馬蘭戈尼效應(yīng)的影響，可能會出現(xiàn)逃逸行為，導(dǎo)致部分熔體從微熔池中飛濺出來[36-38]。同時，熔池周邊的金屬粉末也可能在金屬蒸氣的夾帶作用下，形成固態(tài)粉末飛濺，從而在熔池周圍則形成剝蝕現(xiàn)象。此外，過高的能量可能會導(dǎo)致局部過熱和過度熔化，形成氣泡或氣體夾雜物。這些氣泡Fig.1-3SchematicdiagramofdefectformationduringSLMprocess飛濺行為是金屬熔體和粉末顆粒在激光反作用力、伯努利效應(yīng)和馬蘭戈尼效應(yīng)的共同作用下出現(xiàn)的現(xiàn)象，該現(xiàn)象幾乎可以持續(xù)到打印結(jié)束物形態(tài)不同，多種參數(shù)影響飛濺物的產(chǎn)生。到目前為止，飛濺物分類還沒有統(tǒng)一的定義。Andani等[15]提到了飛濺形成的機理，把飛濺物分成了液滴飛濺（D速度對飛濺顆粒產(chǎn)生的影響比激光功率更為顯著。Liu等[41]使用高速攝像機研究了不同能量輸入下飛濺形成的動態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)較高的能量輸入會加劇飛濺行為，并且對比廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化6圖1-4原始粉末和飛濺顆粒比較[41]a）原始粉末b）飛濺顆粒Fig.1-4Comparisonoforiginalpowderandspatterparticle[41]:(a)Originalpowder;(b)Spatterparticles主要來源是初始粉末顆粒，和蒸氣羽流的穩(wěn)定性、演化以及由此產(chǎn)生的熔道有關(guān)，而和體能量密度的變化沒有多大關(guān)系。Yin等[39]通過研究熔體軌跡和飛濺行為的動力學(xué)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)蒸氣羽流驅(qū)動是飛濺沿激光源掃描方向向后噴射的主要原因，其方向與熔池內(nèi)凹陷區(qū)的前壁相垂直，隨后由于蒸氣膨脹撞擊等[43]通過實驗和模擬結(jié)果推導(dǎo)出液滴和粉末飛濺分別占總量的15%和85%，其中2/3以上的粉末飛濺顆粒由激光輻射形成的，被稱為熱顆粒，相反，冷顆粒指的是沒有激尼效應(yīng)和熔池中的熱效應(yīng)導(dǎo)致了三種類型的飛濺形態(tài)，分別為球形飛濺、粗球形飛濺和不規(guī)則飛濺。其中球形飛濺呈現(xiàn)成光滑的球形形貌，粗球形飛濺顆粒表面黏附大量動特征和飛濺的形成，研究發(fā)現(xiàn)當匙孔底部關(guān)閉的時候，后匙孔壁底部的熔融金屬沿著熔合線向上流動。當匙孔底部打開時，在上表面匙孔周圍能看到少量飛濺物，而在匙孔后部存在兩種流動模式：一部分熔融金屬沿熔合線向上流動，另一部分熔融金屬為了滿足航空航天和能源領(lǐng)域?qū)Υ笮土慵圃烊找嬖鲩L的需求，激光打印設(shè)備朝光作用下飛濺產(chǎn)生的示意圖。Andani等[46]研究了AlSi10Mg粉末在雙激光下的飛濺行為，研究發(fā)現(xiàn)，激光束的數(shù)量顯著影響了飛濺的產(chǎn)生機制，雙激光束在熔池上方產(chǎn)生更大的反沖壓力，并從熔池中噴出更多的金屬材料，然而，沒有描述雙光束激光器和7Fig.1-5Schematicdiagramofduallaseraction[46]1.3.2選區(qū)激光熔化飛濺的危害Ladewig等[47]進行了有關(guān)氣流中粒子光束散射效應(yīng)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)懸浮的飛濺顆粒會吸收激光能量，導(dǎo)致在掃描粉末床時輸入的能量降低，從而使得粉末床的熔化不完Simonelli等人[49]研究發(fā)現(xiàn)，粉質(zhì)會和粉末混合，最終嵌入制造零件表面。即使經(jīng)過篩粉，也會殘留一些飛濺顆粒。此外研究還發(fā)現(xiàn)，無論使用何種不同材料，飛濺顆粒通常呈現(xiàn)球形。為了比較原始粉末和飛濺顆粒對打印零件質(zhì)量的影響，Liu及其團隊[50]進行了一項研究，對原始和受的機械性能明顯低于使用原始粉末制備的試樣。與含有新鮮粉末的試樣相比，含有污染粉末的試樣在裂縫處呈現(xiàn)更多孔隙。這些孔隙在拉伸試驗中會引發(fā)裂紋，并加速裂程中，由于少量飛濺物附著在打印零件表面，再涂層粉末受到飛濺顆粒的影響，飛濺顆粒導(dǎo)致刮刀變形。當再沉積的飛濺顆粒小于層厚時，經(jīng)過激光掃描，飛濺顆粒完全熔化，并與粉末和底層零件結(jié)合。如果再沉積的濺射顆粒的尺寸超過了層厚度，它們8Fig.1-6Defectscausedbyspatteredparticles[44]Matthews等人[51]使用高速光譜域光學(xué)相干粉末床表面留下劃痕，進而導(dǎo)致后續(xù)層鋪粉的致密度不均勻，增加未熔化缺陷，與此為了檢測飛濺物在構(gòu)建區(qū)域的再沉積分布，采用與圖像分析相關(guān)的長時間近紅外原位監(jiān)測。Schwerz等人[52]量化了不同層厚下飛濺再沉積情況，采用超聲檢測和金相技術(shù)對內(nèi)部缺陷進行分析，發(fā)現(xiàn)飛濺物優(yōu)先沉積在出口附近，隨著層厚增加，再沉積Fig.1-7Spatterdepositionatdifferentlayerthicknesses[52]廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化9刮刀、粉末回收以及零件性能。去除飛濺顆粒能夠提高粉末的使用效率，因此很有必1.3.3選區(qū)激光熔化飛濺對策為了實現(xiàn)SLM方法的高效制造，各國研究人員通過大量研究試圖解決上述提到的缺陷問題。在打印過程中，飛濺物的完整流程可以分為三個階段，分別是飛濺生成在飛濺的生成階段，能夠通過優(yōu)化激光體積能量密度等工藝參數(shù)來抑制飛濺的產(chǎn)生。能量密度通常被用作比較在不同參數(shù)集（例如激光功率、掃描研究發(fā)現(xiàn)，增加激光掃描速度或者降低激光功率能夠降低飛濺顆粒的產(chǎn)生，和激光功率相比，激光掃描速度對飛濺形成的影響更大。Bidare等[53]通過實驗得到了激光掃描速度和功率對單軌掃描的影響，他們發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率和掃描速度的增加，顆粒噴射方向相對于掃描方向由前向后變化，單位時間內(nèi)激光掃描路徑飛濺量隨著激光掃描研究了激光參數(shù)對熔池熱力學(xué)行為的影響，研究結(jié)果表明，隨著激光掃描速度的降低和激光功率的增加，熔池中心和邊緣之間的溫度梯度和表面張力梯度也隨之增大，從究發(fā)現(xiàn)馬蘭戈尼和反沖壓力是熔池不穩(wěn)定的主要驅(qū)動力之一，而不穩(wěn)定的熔池及粉末層厚度增加會導(dǎo)致飛濺和孔隙缺陷的增加。但是，由于激光照射的面積有限，當層厚達到一定厚度時，飛濺物的增加會減慢。Zhang等人[57]提出了一種使用同軸對準高速攝像機的飛濺物監(jiān)測系統(tǒng)，分析了飛濺特征和粉末層厚度之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，當加。當使用低體積能量密度和大光斑結(jié)合確保足夠深的熔池穿透時，能夠完全抑制飛在飛濺噴射和再沉積階段，通過添加惰性保護氣流能夠去除粉末床上方的飛濺顆粒。飛濺顆粒噴射的運動軌跡取決于激光的掃描方向，大多數(shù)飛濺顆粒的運行軌跡和廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化掃描方向相反。Anwar等人[59]發(fā)現(xiàn)，當激光掃描和保護氣流動方向相反時，在成型腔等人[60]拍攝了不同激光掃描方向下飛濺顆粒的運動情開熔池，朝向先前形成的焊道，左圖為掃描方向和氣流方向相反的情況下，飛濺顆粒以線性軌跡噴出，右圖為掃描方向和氣流方向相同的情況下，飛濺顆粒軌跡最初和氣向集中在靠近熔化區(qū)域的地方，沿氣流的掃描順序?qū)е铝慵砻娓植?，并且由飛濺被氣流去除，當掃描策略中的雙向軌跡垂直氣流時，飛濺分布的更好，但是沒有總結(jié)Fig.1-8Spattertrajectoriesinthecaseofflowscanningandagainstflowscanning[60]在微重力下的粉末床熔融中，粉末容易漂浮，并且會產(chǎn)生大量飛濺物[63]。此外，鑒于浮力的降低，孔隙可能會留在沉積物內(nèi)部。值得注意的是，粉末床熔融中的微重型問題可以得到完全解決。高重力具有相當大的潛力，可以致密粉末供應(yīng)，防止飛濺濺物被大大抑制，飛濺軌跡的高度和增加的重力加速度成反比。保護氣也是影響飛濺的因素之一。AMANO等[68]發(fā)現(xiàn)，飛濺物生廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化濃度的增加而增加，飛濺顆粒中的氧含量也隨之增加。降低腔室中的氧含量是防止飛印過程的影響情況。研究表明，與常用的氬氣相比較，使用純氦氣或者氦氬混合氣體軌跡的影響，在較低的保護氣流速情況下，飛濺現(xiàn)象加劇，并且在低流速區(qū)域還觀察人[70]采用離散相模型和計算流體動力學(xué)研究了飛濺顆粒的沉積分布情況，其中考慮了夾帶對熱噴射的影響以及反沖壓力驅(qū)動的噴射，研究表明最大的飛濺顆粒重新沉積在開發(fā)了一種計算流體動力學(xué)模型，用于模擬MTTReaLizerSLM250機器構(gòu)建腔內(nèi)的流動均勻性。研究發(fā)現(xiàn)，成型零件的壓縮強度和通過重新設(shè)計氣體輸送軌道，能夠在仿真模型中實現(xiàn)更均勻的氣流。將改進后的設(shè)計應(yīng)用到機器中，發(fā)現(xiàn)制造出的樣品性能更加一致。孫宏睿等人[72流場仿真模擬了金屬激光選擇性熔化成形設(shè)備吹風系統(tǒng)的流道和風場，并根據(jù)仿真結(jié)果對吹吸流道的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。通過仿真計算和優(yōu)化，打印范圍內(nèi)的風場風速分布變化大大減小，優(yōu)化方案的有效性也得到了實驗驗證。與原有設(shè)備相比，優(yōu)化后的吹圖1-9反Coanda效應(yīng)設(shè)計[73]a）進氣口設(shè)計b）瞬態(tài)速度和壓力場Fig.1-9Counter-Coandaeffectdesign[73]:(a)Supplementaryinletnozzledesign;(b)Transientvelocityandpressurefield綜上，對于選區(qū)激光熔化中已經(jīng)生成的飛濺缺陷，通過添加保護氣流是將其去除1.4課題主要研究內(nèi)容本論文通過廣泛的文獻綜述，深入了解了SLM技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在各個領(lǐng)域廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化網(wǎng)格設(shè)置，根據(jù)相關(guān)文獻進行飛濺顆粒模型的設(shè)置，將兩者進行耦合，探究了入口高度及入口寬度對氣流分布和飛濺顆粒去除沉積的影響，確定了去除效果最高的入口尺研究了保護氣流速和金屬蒸氣角度下的飛濺行為，此外，還研究了粉末層厚、粉末材Fig.1-10Researchtechnologyroadmap廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化第二章CFD-DEM數(shù)值求解模型程是一個涉及多物理場耦合的復(fù)雜過程，其瞬態(tài)特性和微觀尺度使得實驗觀測及其困隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬提供了一個用于研究流場和飛濺顆粒動力學(xué)的替代護氣流和飛濺顆粒之間相互作用的機制，本章對氣固兩相流的耦合方法進行了簡單介紹，著重介紹了計算流體力學(xué)及離散元理論，并描述了兩者耦合過程，包含它們涉及2.2耦合方法簡述進行求解。歐拉-歐拉法的典型代表是雙流體模型，其中顆粒相也被認為是連續(xù)介質(zhì)，因此流體和顆粒相通過單相流的平衡方程來進行求解[74,75]。雙流體模型是一種計算效率很高的方法，但是，在雙流體模型中無法用于準確獲得固體顆粒信息，并且完全忽基于牛頓運動方程，將流體相的連續(xù)描述和粒子相的拉格朗日描述結(jié)合起來，這種模擬兩相流的組合方法闡明了兩相耦合的微觀行為[76]。CFD-DEM耦合模型是歐拉-拉格朗日方法的典型代表，其中顆粒相通過Cundall法和解析法[78-80]。圖2-1給出了兩種解析方法的示意圖，表現(xiàn)了兩種方法的差異。在義了流體的性質(zhì)，使得每個網(wǎng)格單元都包含流體的特征信息，因此每個網(wǎng)格單元的尺徑，且流體網(wǎng)格尺寸最多為粒徑的十分之一[81]。解析建模中的流固耦合是通過移動邊界處理算法實現(xiàn)的，流體對粒子施加的力直接被整合，能夠很好的捕捉復(fù)雜的尾流相關(guān)現(xiàn)象[82]。然而，解析建模方法只適用于顆粒廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化網(wǎng)格使得進行大規(guī)模模擬的計算成本相當昂貴。而對于粉末床及飛濺顆粒來說，其顆圖2-1兩種CFD-DEM解析法示意圖:（a）未解析法b）Fig.2-1SchematicdiagramofthetwoCFD-DEMresolutionmethods:(a)Unresolvedmethod;(b)Resolvedmethod相比之下，顆粒的邊界不需要由流體網(wǎng)格解析，網(wǎng)格尺寸通常至少比顆粒直徑大三倍這就是非解析法在工業(yè)應(yīng)用中更受青睞的原因。通常，流體計算時間步長是粒子計算2.3計算流體力學(xué)計算流體力學(xué)是一種利用數(shù)值方法和算法對流體流動和傳熱過程進行模擬和分析的工程技術(shù)。它能夠有效的預(yù)測流體在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的流動行為，幫助工程師優(yōu)化流體流動過程描述為連續(xù)的數(shù)學(xué)方程，如Na間離散化以及引入適當?shù)臄?shù)值格式，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，并使用計算機進在二次顆粒相的流體系統(tǒng)中模擬連續(xù)流模式，通常采用Navier-Stoke運動。其中整個流體域被離散為許多小網(wǎng)格單元，每個單元內(nèi)部的流體行為由一組控制方程來描述。這些方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程三大守恒▽·(2-1)動量守恒方程可以通過牛頓第二定律和應(yīng)力張量的關(guān)系來推導(dǎo)，它揭示了流體在▽·=pF+▽·p(2-2)能量守恒方程考慮了內(nèi)能、動能和勢能等形式的能量轉(zhuǎn)化，能夠幫助分析流體的為了獲得更可靠的計算結(jié)果，需要適當選擇CFD的數(shù)值設(shè)置。因此，使用不同的網(wǎng)格數(shù)和湍流模型對空氣動力系統(tǒng)進行了一系列數(shù)值計算[84]。求解精度一般會隨著區(qū)域內(nèi)單元數(shù)的增加而提高，但使用較小的網(wǎng)格尺寸離散區(qū)湍流模型在計算流體動力學(xué)中是一種關(guān)鍵的數(shù)學(xué)模型，用于近似或模擬流體運動中的湍流現(xiàn)象。湍流是一種復(fù)雜的流動現(xiàn)象，其特點是流體速度的無規(guī)則變化，這些變化導(dǎo)致了額外的動量、熱量和物質(zhì)傳遞。由于顆粒的存在，顆粒流系統(tǒng)中湍流模型的計算比單相流更復(fù)雜。在顆粒流系統(tǒng)中，除了湍流場之間的極強相互作用外，還不行離散化，直接解出流場中所有尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，通常只適尺度渦旋則通過不同的亞細網(wǎng)格模型處理。RANS通過對Navier平均，將湍流場分解為平均分量和渦旋分量，并通過求解額外的湍流模型方程來描述廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化最常見的一種湍流模型（Standardk-2.4離散單元法2.4.1DEM基本原理離散單元法是一種用于模擬顆粒系統(tǒng)行為的數(shù)值方法，用來解決工程和應(yīng)用科學(xué)動量和位移是通過跟蹤單個粒子的每次接觸來描述的[86]。DEM中的主要假設(shè)是每個離散單元都有不同的邊界，這使得它在物理上與分析中的每一個單元分離。在域內(nèi)單元運動過程中，平移和旋轉(zhuǎn)行為方程分別施加在逐個單元上和通過邊界力接觸的單元上。通過求解兩個方程并對作用于單個粒子的合力和扭矩進行積分后，能夠計算下一廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化2.4.2接觸模型學(xué)建模可以分為硬球和軟球方法[87,88]。這兩種模型在處理問題時適用范圍有所不同，圖2-2硬球和軟球方法示意圖Fig.2-2Hard-sphereandsoft-sphereapproaches在硬球建模方法中，粒子間的相互作用力被簡化為瞬時發(fā)生的兩體碰撞[89]。該模型將顆?？闯墒峭昝赖膭傂郧蝮w，忽略了接觸過程以通過動量定理和恢復(fù)系數(shù)來模擬。因為碰撞僅限兩個顆粒之間，并且不考慮多次碰撞。因此，需要應(yīng)用不同的時間步長，并且數(shù)值解的時間步長間隔隨每次碰撞之間的和硬球模型相反，軟球建模方法允許顆粒間或顆粒和壁面間產(chǎn)生一定的重疊量，并且能夠同時計算多顆粒之間的接觸力。在這種方法中，對顆粒碰撞過程中發(fā)生的彈性恢復(fù)力和摩擦力進行建模至關(guān)重要。由于軟球方法中使用的迭代方案的性質(zhì)，容易受到時間步長的影響。因此，在仿真過程中，時間步長間隔被假定為恒定的，并且出于穩(wěn)定性考慮，時間步長間隔應(yīng)小于接觸持續(xù)時間。由于粉末層狀中的顆粒系統(tǒng)屬于間的作用力。本文研究的粉末顆粒粒徑在微米級別，此外，粉末擴散以及粉末重新分層效應(yīng)也被排除在外。Hertz-Mindlin模型又被稱為無滑動接觸模型，通常用于表示切線剛度模型，該模型在DEM應(yīng)用中作為計模型，被認為能夠描述碰撞顆粒的接觸力[90]。圖2-3Hertz-Mindlin模型彈簧系統(tǒng)示意圖[91]Fig.2-3Hertz-Mindlinmodelspringsystemdiagram[91]在Hertz模型中，通常認為碰撞顆粒表面為完全均質(zhì)和光性球體在圓形接觸面積上的響應(yīng)來模擬法向接觸力。其中兩顆粒所受的法向力是法向廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化202.5CFD-DEM耦合在顆粒材料的動力學(xué)研究中，考慮氣動力對于理解和預(yù)測顆粒在氣流中的行為至方向以及相互作用產(chǎn)生顯著效果。為了準確模擬這一復(fù)雜過程，通常需要將計算流體動力學(xué)模擬與離散元方法模擬相結(jié)合。這種組合方法能夠同時考慮流體動力學(xué)和顆粒間相互作用的影響，從而提供更為精確的顆粒行為預(yù)測。本文采用的軟件是FlFig.2-4CFD-DEMcouplingflowchart廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化21位。拖曳力表示顆粒在運動過程中由于周圍氣體相互作用而受到的阻力。描述作用在Dp=mp),=pCdA(u-up)2(2-14)2.6本章小結(jié)本章節(jié)介紹了離散單元法和計算流體動力學(xué)在顆粒物質(zhì)運動行為研究的重要性，詳細介紹了離散單元法中的接觸模型以及流體力學(xué)中的湍流模型。此外，還介紹了流廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化22第三章保護氣流下飛濺的模擬研究3.1引言成型腔內(nèi)的保護氣流是去除飛濺顆粒的主要手段。通過模擬成型腔內(nèi)部的流場信息，能夠觀察到成型腔內(nèi)流場的分布情況。將飛濺顆粒和保護氣通過數(shù)值模擬的形式結(jié)合起來，能夠觀察到飛濺顆粒的運動情況。本章通過建模軟件對打印區(qū)域進行建模和飛濺顆粒相結(jié)合。通過建立氣固瞬態(tài)模型模擬分析了飛濺形成后氣流和飛濺顆粒的動力學(xué)行為，研究了入口高度以及入口寬度對打印區(qū)域內(nèi)的流場的影響，并分析氣流3.2計算模型3.2.1幾何模型及網(wǎng)格劃分在SLM打印過程中產(chǎn)生的飛濺顆粒會干擾打印的順利進行，通過在基板上方附近施加給定體積流速的惰性保護氣體，能夠及時的把飛濺顆粒帶離打印濺顆粒的影響情況。結(jié)合實際打印情況及計算機算力，設(shè)計了如圖3-1（a）所示的幾何模型。構(gòu)建區(qū)域的尺寸為115mm×115mm（X×Y此外，考慮到飛濺顆粒所能在計算流體力學(xué)中，網(wǎng)格劃分是一個至關(guān)重要的步驟。它直接決定了仿真的收斂性以及計算結(jié)果的準確度。在進行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格尺寸越小，網(wǎng)格數(shù)量越多，所得時，對于高精度計算區(qū)域需要細化網(wǎng)格，而對于計算要求不那么嚴格的區(qū)域，可以適塊對網(wǎng)格進行劃分，圖3-1（b）顯示了幾何模型的網(wǎng)格劃分情況。對入口，出口及流廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化23圖3-1幾何模型設(shè)計及其網(wǎng)格劃分:（a）模擬中的幾何模型和保護氣流動方向示意圖b）網(wǎng)格單元劃分Fig.3-1Geometricalmodeldesignanditsmeshing:(a)Schematicofthegeometricalmodelandprotectivegasflowdirectioninthesimulation;(b)Griddivision3.2.2網(wǎng)格無關(guān)性域，通常建議網(wǎng)格尺寸至少比粒徑大三倍，以確保可接受的計算。為了在考慮計算資源和仿真時間的同時優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，在發(fā)生高速流此外，還利用六面體網(wǎng)格類型進一步提高網(wǎng)格質(zhì)量。為了評估網(wǎng)格獨立性并確定適當數(shù)量也會有略微的差別。這種優(yōu)化的網(wǎng)格將在整個仿真過程中在計算精度和效率之間24Fig.3-2Graphofgrid-independencevalidationresults3.3仿真條件設(shè)置3.3.1控制方程激光作為熱源熔化能量，導(dǎo)致多物理相互作用。這些多物理相互作用非常復(fù)雜，沒有考慮能量方程。其中質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和動量守恒的Navier-S為[92]：假設(shè)成型腔內(nèi)的工作流體表現(xiàn)為具有恒定材料特性的理想不可壓縮牛頓流體。使用標準k-ε湍流模型，其傳遞方程如下[92]：其中，C1ε、C2ε、σk和σε是實驗確定的常數(shù)，在Fluent中給定了默認值，分別廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化25表示顆粒運動的方程如下所示[93]：其中w表示旋轉(zhuǎn)速度，F(xiàn)g表示重力，F(xiàn)f?s表示流固相互作用，I是3.3.2飛濺初始條件在模擬的初始條件下，需要指定某些參數(shù)，包括飛濺顆粒的粒徑、噴射速度以及噴射方向。在之前的實驗研究中，觀察到與原始粉末顆粒相比，選擇性激光熔化過程中產(chǎn)生的飛濺顆粒尺寸更大，并呈現(xiàn)出球形[46]。此外，激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)直接影響飛濺顆粒的噴射速度和角度。Gunenthiram等[35]利用高速成像系統(tǒng)測量飛濺顆粒的大小和速度。Zhang等[73]對上述實驗進行了總結(jié)，觀察到飛濺顆粒以45°至70°的角度從基材表面噴射出來。Liu等[94]最近對飛濺進行了研究，根據(jù)飛濺分為低速飛濺、中速飛濺、高速飛濺和超高速飛濺四類。如圖3-3（a）所示為此，在本研究中，參考了上述對飛濺顆粒的研究，主要集中在低速和中速飛濺顆粒此外，還實現(xiàn)了兩個方向的離散相和連續(xù)相之間的耦合。為了簡化模型以節(jié)省計算成廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化26圖3-3飛濺粒子的速度統(tǒng)計和飛濺建模:（a）不同飛濺速度的百分比Fig.3-3Velocitystatisticsofspatterparticlesandmodelingofspattering:(a)Percentagestatisticsfordifferentrangesofspatteringvelocities[94];(b)Modelingofspattering[73]3.3.3模擬參數(shù)設(shè)置本研究采用的惰性氣體為氮氣，除了能夠防止加工材料被空氣中的氧氣氧化，還方法（壓力關(guān)聯(lián)方程的半隱式方法）采用迭代求解的方式，可以在每次迭代中調(diào)整速度和壓力的值，逐步逼近最終的穩(wěn)定解。這種逐步逼近的方式有助于提高數(shù)值解的準表3-1仿真中采用的材料參數(shù)[95]Table3-1Materialparametersusedinsimulation[95]材料氮氣316L密度(kg/m3)7950動力粘度(kg/m·s)——泊松比——0.3楊氏模量(Pa)——2.2×109顆粒之間碰撞系數(shù)的確定需要大量實驗，在考慮顆粒之間的作用系數(shù)的情況下，之間的相互碰撞參數(shù)。為了能夠更好的統(tǒng)計落在基板上顆粒的數(shù)量，設(shè)置較小的恢復(fù)27系數(shù)以及大摩擦系數(shù)以便更好的使顆粒落在基板上后停止運動。顆粒與顆粒，顆粒與表3-2DEM碰撞系數(shù)設(shè)置[92,96]Table3-2DEMcollisioncoefficientsettings[92,96]碰撞屬性顆粒-顆粒顆粒-基板顆粒-壁面恢復(fù)系數(shù)0.640.010.64靜摩擦系數(shù)0.60.6滾動摩擦系數(shù)0.0850.0853.4流場及飛濺分析3.4.1流場分析成型腔內(nèi)保護氣體流動是選區(qū)激光熔化工藝中的關(guān)鍵參數(shù)，準確模擬該氣體流動對于獲得可靠的結(jié)果至關(guān)重要。為了確定流體在引入飛濺顆粒之前是否可以達到穩(wěn)定收斂的。這表明數(shù)值解已經(jīng)達到基于控制流體流動方程的穩(wěn)定狀態(tài)。只有在流體解收斂后，飛濺顆粒才開始從基板的指定位置開始注入，隨后進行顆粒相和流體相的雙向耦合。在進行單相流模擬時，對迭代計算過程進行了監(jiān)測，以保證殘差能夠達到標準圖3-4（a）顯示了入口速度為3m/s時以給定的氣體流速從進氣口連續(xù)流入成型腔內(nèi)，由于在入口處上下方結(jié)構(gòu)不同，入口下方的低壓區(qū)域受到基板約束，無法使壓力保持平衡，從而形成了一個低壓區(qū)。上下兩個區(qū)域之間的壓力差導(dǎo)致氣流有一個向下運動的現(xiàn)象，這和早期研究中類似成型腔中觀察到的Coanda效應(yīng)一致[73,97]。相互作用，最后通過出口流出計算域。還有少部分的保護氣體流向右側(cè)壁面后發(fā)生反彈，在上方區(qū)域發(fā)生渦流現(xiàn)象，導(dǎo)致小粒徑飛濺顆粒在成型腔內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)。在氣流和基板表面接觸的區(qū)域，由于邊界層的影響，氣流速度會逐漸減小。圖中紅色氣流高速28圖3-4入口速度為3m/s的穩(wěn)態(tài)流體模擬結(jié)果圖a）幾何模型的各向同性視圖b）XZ中心平面的速度分布Fig.3-4Steadystatefluidsimulationresultsplotwithinletvelocityof3m/s:(a)Isotropicviewofthegeometricmodel;(b)VelocitydistributionintheXZcenterplane的水平線并對其速度進行了分析，如圖3-5（a）所示。每條水平線上選取了五十個樣mm高的水平線上，氣流速度沿著X方向有一個先增大后減小再增大的過高度的繼續(xù)增加，可以看到氣流速度開始減少。值得注意的是，當離基板底部50mm廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化29圖3-5不同垂直高度下氣流速度a）不同Z位置高度水平線示意圖b）XZ中心平面不同Z位置水平線上的氣流速度Fig.3-5Flowvelocityatdifferentverticalheights:(a)IllustrationofhorizontallinesatdifferentheightsfordifferentZpositions;(b)GasflowvelocitiesatdifferentZpositionshorizontallyintheXZcenterplane3.4.2飛濺分析Q=(1?)×100%(3-7)0式中：Q表示飛濺的去除率；N表示在基板重新沉積的飛濺數(shù)；N0表示生成飛濺顆粒在拖曳力的作用下被吹離打印區(qū)域，因此有必要了解兩者之間的相互作組，一組飛濺顆粒被基板所捕獲停留在腔室內(nèi)，另一組飛濺顆粒從出口處離開。在保護氣體的作用下，飛濺顆粒的軌跡在水平方向上受到影響。這是由于保護氣體會對飛濺顆粒會產(chǎn)生一個拖曳力，使得飛濺顆粒運行軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且對于初始速度及粒徑較低的飛濺顆粒影響越強烈。在飛濺噴射源和出口之間的距離范圍內(nèi)，對于初始速度較低以及粒徑較大的飛濺顆粒，在重力作用下，由于沒有足夠的動能到達出口而被沉積在成型腔內(nèi)。對于大多數(shù)飛濺顆粒，它們能此外，還有一小部分高速飛濺顆粒，在速度慣性的作用下沖出了氣流高速區(qū)域，隨后高速飛濺顆粒會和壁面發(fā)生彈性碰撞?；貜椀娘w濺顆粒在成型腔內(nèi)再沉積或者吹離腔廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化Fig.3-6Thepositionsofthespatteredparticlesinthechamberatdifferentmomentsoftime3.5入口高度對氣流及飛濺的影響不同的入口高度會導(dǎo)致不同的氣流分布，從而影響成型腔內(nèi)飛濺去除效果。研究了不同入口高度下氣流分布以及飛濺顆粒的運動情況，其中入口高度被定義為入口底顯。在保護氣流剛從入口處噴出時，氣流速度最高，因此受重力影響最小，越靠近出口處上壁垂直距離較近，在附壁作用下，氣流下降趨勢由相對較小，但由于氣流和右側(cè)壁面接觸區(qū)域變大，因此渦流顯著增強。在入口高度為70mm時，氣流下降趨勢最Fig.3-7DistributionofgasflowintheXZcenterplaneatdifferentinletheights除了流場速度分布的分析外，渦量也能夠幫助更好理解流體運動狀態(tài)。其中在口中心垂直線為觀察對象，線上平均取了五十個樣本點，對比了不同入口高度下數(shù)據(jù)Fig.3-8Thevariationofvorticityatdifferentinletheights9（a）能夠更直觀的看出成型腔內(nèi)部氣流的運動軌跡情況，當氣體流過腔室時，它會圖3-9不同入口高度下氣流速度矢量和中低速飛濺顆粒狀態(tài)a）氣流速度矢量圖b）中速飛濺顆粒c）低速飛濺顆粒Fig.3-9Gasflowvelocityvectorsatdifferentinletheightsandthestateoflowandmediumvelocityspatteredparticles:(a)Gasvelocityvectors;(b)Mediumvelocityspatteredparticles;(c)Lowvelocityspatteredparticles示飛濺顆粒在基板上的位置，掃描區(qū)域被局部放大，以便于觀察飛濺顆粒的沉積。和藍色中速飛濺顆粒的沉積分布相比，紅色低速飛濺顆粒的分布更加集中，這是因為中速飛濺顆粒與壁碰撞和反彈的可能性更高，導(dǎo)致它們繼續(xù)移動并沉積在腔室內(nèi)，而不濺顆粒數(shù)量激增，并且在打印左側(cè)區(qū)域也出現(xiàn)了飛濺顆粒。隨著入口高度的不斷的增加，沉積在左側(cè)區(qū)域的飛濺顆粒也相應(yīng)增加，并且離左壁邊緣位置越來越近。結(jié)合圖Fig.3-10Spatterparticledepositiondistributionatdifferentinletheights去除率被定義為飛濺顆粒從成型腔內(nèi)去除的數(shù)量和相對應(yīng)飛濺顆?？倲?shù)的比值，這里統(tǒng)計了中、低速兩種飛濺顆粒的去除率。從圖中可以看出，隨著入口高度的增加，飛濺顆粒的去除率相應(yīng)降低，再次表明了渦流不利于飛濺顆粒的去除。此外，對于低速Fig.3-11Spatteringparticleremovalrateatdifferentinletheights3.6入口寬度對氣流及飛濺的影響除了入口高度外，入口寬度的大小也會顯著件下，通過對不同入口寬度下的氣流分布進行了模擬研究，探討了不同入口寬度對氣水平，并且和壁面碰撞的氣流要更少。隨著入口寬度的增加，氣流向下運動的趨勢明Fig.3-12DistributionofgasflowintheXZcenterplaneatdifferentinletwidths面內(nèi)，入口寬度越小，高速氣流呈現(xiàn)出細而長的形狀，隨著入口寬度的增加，氣流呈現(xiàn)寬而窄的形狀。由于入口寬度較小，進入成形腔內(nèi)的氣流會更加集中，而隨著入口寬度的增加，尤其是和基板區(qū)域?qū)挾纫粯訒r，氣流受到壁面的摩擦影響，帶著氣流向Fig.3-13DistributionofgasflowintheXYcenterplanefordifferentinletwidths由于不同的入口寬度導(dǎo)致了不同的氣流分布，因此飛濺影響。對不同入口寬度下飛濺的去除沉積情況進行了分析。圖3-14顯示了不同入口寬速和低速飛濺顆粒，其中掃描區(qū)域大都是沉積著內(nèi)循環(huán)的中速飛濺顆粒。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在打印區(qū)域上方沉積的飛濺顆粒隨著入口寬度的增加而減少，并且紅色低速為了能夠定量說明飛濺的去除情況，對不同入口寬度下中速和低速兩種飛濺顆粒速飛濺顆粒的去除率從40%多提高到了90%不變。這和氣流分布的情況有關(guān)，對于低速飛濺顆粒來說，其垂直方向運行的距離相對較低，而入口寬度越小，其氣流分布越水平，這使得打印區(qū)域和水平入口高度區(qū)域的氣流要相對較小，導(dǎo)致這部分區(qū)域的飛濺顆粒受到的拖曳力要更小，導(dǎo)致低速飛濺顆粒去除率相對較小。而中速飛濺顆粒初始速度較高，因此在速度慣性的作用下，都Fig.3-14SpatterparticledepositiondistributionatdifferentinletwidthsFig.3-15Spatteringparticleremovalrateatdifferentinletwidths3.7入口流速對飛濺的影響通過上述對不同入口高度及寬度下飛濺顆粒的比較，我們選擇了去除率最高的入度及寬度下進行討論。氣流作為直接和飛濺顆粒相互作用的因素，很有必要對氣流速隨著保護氣流速的增加，腔室內(nèi)的流速也相應(yīng)增加。此外，由于高速氣流具有較高的初始動能，當高速氣流和靜止氣流及壁面時，會引發(fā)不穩(wěn)定的相互作用，加劇渦流現(xiàn)Fig.3-16DistributionofgasflowintheXZcenterplaneatdifferentinletvelocities入口流速越大，能夠看到兩種類型的飛濺顆粒運行偏轉(zhuǎn)軌跡越明顯。這是由于作用在飛濺顆粒大都沉積在打印區(qū)域的右側(cè)，并且靠近出口處，尤其是低速飛濺顆粒。隨著保護氣流速度的增加，沉積在成型腔內(nèi)的飛濺顆粒數(shù)量顯著減少，這意味著從腔室內(nèi)離開的飛濺顆粒相應(yīng)增加。值得注意的是，水平氣流速度增加的同時，會導(dǎo)致顆粒和壁面碰撞回彈的速度增加，導(dǎo)致飛濺顆?；貜椌嚯x增加，因此打印區(qū)域上的飛濺顆粒圖3-17不同入口流速下中低速飛濺顆粒狀態(tài)a）中速飛濺顆粒b）低速飛濺顆粒Fig.3-17Lowandmediumvelocityspatteredparticlesatdifferentinletflowvelocities:(a)Mediumvelocityspatteredparticles;(b)LowvelocityspatteredparticlesFig.3-18Depositiondistributionofspatteringparticlesatdifferentinletvelocities計算了不同入口流速下飛濺顆粒的去除率，一結(jié)論。飛濺顆粒受到的拖曳力可以用斯托克斯定律來表示，該定律指出拖曳力和流體速度成正比。隨著入口流速的增加，顆粒所受到的拖曳力也成比例增加，因此在曲Fig.3-19Spatteringparticleremovalrateatdifferentinletvelocities3.8掃描策略對飛濺的影響在激光打印過程中，通過控制激光束的移動路徑來實現(xiàn)對材料的精細加工。不同的激不同的掃描策略還會導(dǎo)致飛濺顆粒在不同位置的沉積，進而影響零件的致密性、表面箭頭為激光掃描方向。其中圖中的角度為掃描方向和氣流方向之間的夾角?？紤]到在種掃描情況后，通過對幾何模型進行旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度實現(xiàn)掃描方向的改變。通過深入廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化40Fig.3-20Schematicofdifferentscanningdirections不同的掃描方向會導(dǎo)致不同的飛濺噴射方向。對于中速飛濺顆粒，在0°掃描方向時，飛濺顆粒朝入口方向運動，對于粒徑較小的飛濺顆粒，易受氣流影響朝著出口處方向運動，還有部分飛濺顆粒保持原來運動方向，因此兩邊都能看到顆粒，隨著掃描方向角度逐漸增大，這種現(xiàn)象減輕。對于低速飛濺顆粒，其初始動量較小，因此大部分顆通過幾何模型的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)了不同的激光掃描方向，導(dǎo)致基板坐標位置不同，因此在激光掃描過程中，保護氣流并不能把飛濺顆粒全都吹離成型腔，有部分飛濺顆的沉積分布情況。保護氣流方向和激光掃描方向相同時，即0°掃描方向，可以濺的沉積分布呈現(xiàn)出一條長長的軌跡，其中紅色低速飛濺顆粒的分布要相對集中。此外，藍色中速飛濺顆粒的軌跡線要相對更長，相比于中速飛濺顆粒，低速飛濺顆粒沉積位置要更靠近出口處。這是由于在順流掃描方向時，飛濺顆粒噴射方向和氣流方向相反，其中低速飛濺顆粒更容易受到氣流的影響，因此大都沉積在打印區(qū)域的右側(cè)，而中速飛濺顆粒由于初始動能較大，因此仍有飛濺現(xiàn)，沿著保護氣流的方向，飛濺顆粒的粒徑大小由大到小排列，這也說明了為什么飛廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文基于CFD-DEM的選區(qū)激光熔化41濺顆粒的沉積軌跡依舊是一條長線并且在打印區(qū)域右側(cè)下方，再次表明了低速飛濺顆粒容易受到氣流影響，而中速飛濺顆粒沉積方向在基板中下區(qū)域。隨著激光掃描方向和保護氣流方向的角度持續(xù)增大，可以發(fā)現(xiàn)低速飛濺顆粒紅色軌跡的沉積長度逐漸變短，并且離打印區(qū)域的平面距離也相應(yīng)增加。當掃描方向和保護氣掃描方向相反時，飛濺沉積又表現(xiàn)出長軌跡的分布，但都沉積在打印區(qū)域右側(cè)。從飛濺沉積分布情況可以發(fā)現(xiàn)，和逆流掃描方向相比，順流掃描方向時的飛濺顆粒更容易被沉積在激光掃描圖3-21不同掃描方向下中低速飛濺顆粒狀態(tài)a）中速飛濺顆粒b）低速飛濺顆粒Fig.3-21Lowandmediumvelocityspatteredparticlesatdifferentscanningdirections:(a)Mediumvelocityspatteredparticles;(b)Lowvelocityspatteredparticles42Fig.3-22Depositiondistributionofspatteringparticlesatdifferentscanningdirections方向和激光掃描方向之間角度增大，中、低速飛濺顆粒去除率也相應(yīng)增大。0°掃描方向到180°掃描方向的過程中，中速飛濺顆粒去除率從59.05%增濺顆粒去除率從27.38%增加到94.88%，其中低速飛濺顆粒去除率增長最大。值得注意的是中速飛濺顆粒由于和壁面發(fā)生碰撞反彈，導(dǎo)致其在逆流掃描時飛濺去除率低于Fig.3-23Removalrateofspatteredparticlesindifferentscanningdirections433.9本章小結(jié)本章構(gòu)建了一個三維瞬態(tài)氣固兩相流模型，并對模型進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格無關(guān)性驗證。建立了中速和低速兩種類型的飛濺顆粒，并且對模型內(nèi)部氣流分布情況以及飛濺顆粒在保護氣流作用下的運動情況進行了分析。通過對保護氣入口的高度以及寬度進行改進，研究了其對氣流及飛濺顆粒的影響情況。在此基礎(chǔ)上研究了入口流速和掃時飛濺去除率最高。入口寬度越窄，氣流呈現(xiàn)細而長的分布，不利于低速飛濺顆粒的44上一章節(jié)主要研究了打印設(shè)備入口結(jié)構(gòu)設(shè)計以及掃描策略和保護氣流速度對飛濺沉積分布及運行軌跡的影響。在模擬過程中，沒有考慮粉末床和金屬蒸氣，只探討了了粉末床及引起飛濺的金屬蒸氣，由于這兩者因素的引入會導(dǎo)致計算量增大，因此對模型進行了改進，研究了飛濺從生成到去除的全過程，并發(fā)現(xiàn)了剝蝕現(xiàn)象，最后研究了金屬蒸氣角度、粉末材料、粉末層厚以及高重力環(huán)境對飛濺的影響規(guī)律情況。4.2模型改進及網(wǎng)格劃分由于需要考慮移動的金屬蒸氣孔，因此網(wǎng)格的劃分要相100μm。當網(wǎng)格尺寸減小時，使用以上章節(jié)的模型會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量激增，導(dǎo)致計算成本增大。為了能夠節(jié)約計算機資源，模型尺寸相比于以上章節(jié)的要相對較小。使用生成的，設(shè)置一個水平的虛擬域在凹槽上方，顆粒從水平面內(nèi)生成，并在重力作用下向下沉積，最后生成一個90μm厚的粉末床，并讓粉末顆粒速度保持為0。這需要額外的計算和內(nèi)存資源。為了能夠減少計算成本，將凹槽整個底部設(shè)置成為金域中，流體網(wǎng)格尺寸應(yīng)至少大于顆粒尺寸的三倍。由于金屬蒸氣孔尺寸較小，需要設(shè)在對網(wǎng)格質(zhì)量要求不高的區(qū)域，盡可能的減少網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格尺寸沿著Z方向逐漸增45Fig.4-1G