基于半解析VOF-DEM 的激光直接沉积多尺度过程模拟1)

王泽坤 刘谋斌

(北京大学工学院,北京 100871)

引言

与传统的铸造等减材制造技术相比,增材制造技术有着设计灵活、制造周期短、制造复杂几何构型能力强等不可替代的优越性,因此逐渐被广泛运用到航空航天精密器件、生物组织或义肢、梯度功能材料[1]、印刷电子[2],甚至土木工程领域的大型构件的制造中,且被认为是“第三次工业革命”的标志[3].其中,基于金属粉末的选区熔化技术和直接沉积技术是常用的两种打印金属构件的方式.选区熔化技术在制造方向铺设金属粉末,然后分块进行多道激光打印,实现金属粉末熔化粘合及凝固.按此循环往复,沿着制造方向多次进行,从而层层“打印”出构件的三维形貌.而直接沉积技术,则将粉末通过同轴喷口喷出,使粉末汇聚在喷口下方时正好被激光击中、熔化.汇聚点可在熔池上方或熔池中.随着喷口的移动,可以实现任意方位打印.因此,直接沉积技术可以被运用到精密或昂贵器件的修复中[4].

激光直接沉积过程跨越粉末-熔道-构件从微观到宏观3 个尺度,且存在激光-热-相变-流体的多物理场耦合、粉末-粉末/粉末-熔体相互作用及高温高压等极端物理环境,仅通过实验难以摸透其中的关键物理现象及机理[5].因此,数值模拟成为了研究直接沉积技术中熔池流动、匙孔及微气孔形成、熔道尺寸、空中熔池形成等现象的重要手段[6].因直接沉积技术存在复杂的颗粒-流体相互作用及相变,仅有少……