[发明专利]一种双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法

说明书

本发明公开了一种双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法，包括步骤一：建立双光束激光粉末床熔融打印过程模型；步骤二：根据步骤一建立的模型，控制激光运动，并计算、监测激光能量的吸收情况；步骤三：根据步骤一建立的模型，计算、监测构件温度场、流场的瞬态特征及空间分布；步骤四：根据步骤一建立的模型，计算、监测熔池和沉积道的瞬态特征及空间分布。利用本发明的模拟仿真方法，可以对多激光束粉末床熔融过程进行虚拟打印及工艺过程优化，有望为多激光束粉末床熔融打印成形与质量控制提供技术依据。

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，具体涉及一种多激光打印方法，尤其涉及一种双激光粉末床熔融过程的模拟仿真方法。

背景技术

激光粉末床熔融(LPBF)是一种高精度、高性能的金属零件增材制造技术。该技术非常适用于薄壁、复杂内腔和内部流道等复杂形状部件的整体制造，具有广泛的应用前景。为了满足航空航天和能源领域大型零件高效制造的迫切需求，激光粉末床熔融正在向多激光束制造方向发展。多激光粉末床熔融(ML-PBF)是一种更复杂的增材制造技术，包含多个单激光束模块以及扫描区域的可控拼接。

该技术可以极大地提高打印尺寸和生产率，同时保持其优越的精度特性。然而，多激光粉末床熔融过程的重叠区域容易出现成形异常、内部孔隙等缺陷。与单激光粉末床熔融制备的样品相比，多激光粉末床熔融制备的样品中重叠区域的表面精度、相对密度甚至力学性能在一定程度上可能有所下降。仅依托实验试错法探索费事费力，且难以对打印过程中的激光-物质作用机制以及温度场、流场及沉积几何特征演化过程进行全面研究。因此，需要结合高置信度多物理场耦合模拟仿真，对多激光粉末床熔融关键物理现象、成形过程与打印异常结果进行高分辨率剖析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，采用一种双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法，对熔池、沉积道进行高时间分辨率与高空间分辨率监测，包括温度分布、内部流体运动与沉积轮廓形貌情况。

为实现上述技术目的，本发明采用如下方案：

一种双光束激光粉末床熔融模拟仿真方法，包括：

步骤一：建立双光束激光粉末床熔融打印过程模型；

步骤二：根据步骤一建立的模型，控制激光运动，并计算、监测激光能量的吸收情况；

步骤三：根据步骤一建立的模型及步骤二对激光运动的控制与激光能量吸收情况计算结果，进一步计算、监测构件温度场、流场的瞬态特征及空间分布；

步骤四：根据步骤一至步骤三双光束激光粉末床熔融过程建模、激光能量吸收率与温度场、流场模拟结果，进一步计算、监测熔池和沉积道的瞬态特征及空间分布。

具体地，所述步骤一具体为：

耦合求解连续性方程、质量守恒方程、能量守恒方程和VOF相方程，其中连续性方程和动量守恒方程：

上式中，为流速，ρ为密度，μ为动态粘度，P为压力,为重力加速度，为网格单元体心的位置矢量，为流体流动时所受到的力，分别是马兰戈尼力、蒸汽反冲压力、表面张力以及糊状区域阻尼力，具体表述如下: