Residual Heat Effect on the Melt Pool Geometry during the Laser Powder Bed Fusion Process

Subin Shrestha * and Kevin Chou

J.B. Speed School of Engineering, University of Louisville, Louisville, KY 40292, USA

這篇論文是關于激光粉床熔融增材制造過程中，殘余熱量對熔池邊界和表面形態的影響的研究。研究結果表明，殘余熱量對熔池的生命周期和微觀結構形成有顯著影響。在多層加工時，第一層表面形態對第二層的實際粉層厚度有影響，進而影響第二層的形成。除此之外，掃描長度對表面形態和微觀結構也有顯著影響。因此，需要根據掃描區域進行參數定制以減少零件質量問題。

以下分為實驗和數值模擬兩個部分進行說明。

一、實驗

激光加工參數：

操作流程：

實驗樣品：

二、數值模擬

粉床制作流程：

第一層DEM模擬：使用80μm的層厚，模擬第一層的粉末擴散過程。

將完成后的第一層粉床圖檔導入至FLOW-3D進行激光加工仿真。模擬完成后，利用所形成的表面進行第二層DEM模擬。

第二層DEM模擬：將第一層粉床降低80μm（第一層層厚）。由于第一層仿真已考慮了收縮，因此第二層層厚減少到40μm。這種方法可以探討第一層固有表面粗糙度對第二層粉末分布和層厚的影響。模擬結束后，可以看到第一層和第二層之間的間隙情況。

仿真設定及材料規格：

研究流程：

使用白光干涉儀獲得多道和多層樣品的表面形貌。

進行金相分析以確定熔融模式，并觀察沿掃描方向不同區域橫向熔池邊界的變化。

FLOW-3D數值模擬：

第一層加工后的表面狀況會對第二層粉末堆積造成影響。

三、結論

本文進行了實驗和數值研究，以了解掃描長度對多道和多層制造過程中殘余熱量和熔池行為的影響。使用EOS M270制造了材質為IN625的多道樣品，掃描長度為0.5毫米，1毫米和1.5毫米。最初使用白光干涉儀測量表面輪廓。然后進行了金相學研究，揭示了橫向熔池剖面，并觀察了沿激光掃描方向的熔池形狀變化。另外，以熱流數值模型(FLOW-3D)進行分析，以了解樣品不同區域熔池差異的機理。

研究結果表明，掃描長度和掃描間距對熔池行為具有顯著影響。此外，第一層的表面輪廓會影響第二層的實際粉層厚度，并影響第二層的形貌。