为LPBF金属3D打印开发的分析熔池模型

金属激光粉末床熔合（LPBF）系统中发生的物理过程很复杂，包含许多变量。这些变量中的许多变量都会对熔池产生影响，在熔池中，机器的激光会撞击金属粉床并形成熔融热物料的水坑。尽管该领域可能很重要，但是金属3D打印机制造商仍在努力完全理解和控制它。库勒芬研究人员开发的一种新的数学模型可以计算出最佳的熔池尺寸，这可能会改变这一情况。

就目前而言，为LPBF机器确定正确的打印参数是一个困难的过程。这些“食谱”，通常被称为对许多用户来说都是严密保护的秘密。但是，重复可靠地进行3D打印金属零件的能力取决于正确设置这些参数。LPBF工艺的核心是熔池，熔池的大小和形状最终会影响最终产品。

获得正确的熔池以及其他变量（例如零件方向和支撑结构放置）通常可以通过以下两种方法之一来实现。传统方法是一种费力且昂贵的反复试验程序，其中选择不同的设置，直到获得所需的结果为止。最近的过程依赖于使用先进的仿真软件来预测各种设置的物理情况。前者的缺点很明显，但是即使使用计算机模拟也依赖于技术知识，通常是功能强大的计算机以及运行方案所需的时间。

鲁汶大学机械工程制造过程和系统系的增材制造研究小组的研究员Viktor Coen已经开发出了一种优雅的解决方案。Coen说“ LPBF中的熔池基本上是一定量的熔融金属粉末”，他说“在熔池的边界处，材料温度等于其熔融温度。” 因此，科恩认为，仅通过使用两个特定参数即可确定熔池的边界：激光的功率和扫描速度。

根据Coen的说法，LPBF中的熔池由一定数量的熔融金属粉末组成，其中，在熔池的边缘，温度是金属材料的熔化温度。通过使用来自热理论的方程式，Coen建议可以确定熔池的边界，然后确定熔池的深度和宽度。

模型之间的比较用平面表示，“ +”和“ x”标记为实验测量值。左边是深度，右边是微米宽度，它是激光功率P和扫描速度v的函数。图像由KU Leuven提供。

他能够根据文献和来自AM研究员的丰富经验来构想自己的理论，例如，以达到最大密度的3D对象，相邻的扫描磁迹之间的重叠是理想的是约20％。如果将激光功率和扫描速度进行一定组合的熔池宽度为100µm，则操作员可以将舱口间距（扫描轨迹之间的距离）设置为80µm。同样，您可以对连续层之间的重叠，扫描策略等做出合理的决定。在此示例中，目标是达到最大密度，但其他可能性是实现平滑的表面光洁度，搭建脚手架，等。在分析模型中实现这些目标是我目前正在努力的目标。”

为了测试他的模型，Coen进行了一项实验，在该实验中，他在固体衬底上以一定范围的激光功率和扫描速度打印了单行Ti6Al4V。

“我垂直切割了轨道，并从轨道的横截面测量了每个熔池的深度和宽度，” Coen说。“我将其与模型预测的熔池深度和宽度进行了比较。对于首次使用Ti6Al4V进行的测试，它们的平均误差约为30％。”

熔池的一部分。图片由KU Leuven提供。

当科恩开始在鲁汶大学的增材制造研究小组工作时，他得以扩展自己的模型。科恩告诉我们，他的原始模型特别适合“传导模式熔化”，其中能量沉积主要是通过粉末床内的热传导来分配的。但是，他随后将其应用于“锁孔模式熔化”，该过程看到来自激光束的能量更深地渗透到带有锁孔形状熔池的粉末床中。

“我使用316L不锈钢，Inconel 718和其他一些材料对熔池模型的'更新版本'进行了更广泛的测试，平均误差约为15％。这仍然不是那么准确，但是该模型的目标主要是对熔池进行预测并提出最佳工艺参数范围。” Coen告诉我们。“因此，预测的准确性绝对足够好。结合模型计算的速度，这使其成为广泛的CFD和FE模拟或基于试错法的过程参数优化的绝佳选择。”

该模型的独创性在于，结合材料属性，仅需要两个众所周知的参数即可计算出熔池体积：激光的功率和扫描速度。实验已经验证了新方法的准确性。