粉床熔融仿真
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
粉床熔融仿真的實例教程
在粉床熔融增材制造工藝過程中，通常會遇到以下幾個問題：1、零件變形難以控制；2、極易造成開裂、刮刀碰撞、收縮線等風險問題；3、增材制造工藝改進和優化主要依靠經驗和工藝試驗，對人員技術要求高，試驗成本高；4、增材過程的殘余應力難以測量和評估。面對以上問題，?？怂箍低瞥隽薙imufact Additive粉床熔融增材制造工藝仿真方案并新增了缺陷分析模塊PDA，有效應對增材制造中的關鍵挑戰。
本次直播將為大家介紹?？怂箍礢imufact增材制造仿真解決方案，以粉床熔融工藝仿真分析為核心，同步介紹圍繞粉床熔融工藝而釋放的缺陷分析模塊，及最新版本的新功能。鎖定直播間，精彩搶先看！
4月10日 14:00
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直播內容聚焦
? Simufact Additive粉床熔融工藝仿真方案詳解
? 新增缺陷分析模塊(PDA)功能揭秘
? Simufact Additive最新版本功能介紹
徐 蕾 ?？怂箍倒I軟件增材制造 高級工程師
中國海洋大學碩士。具有7年以上的增材制造仿真經驗，廣泛的了解國內外客戶在增材制造領域中的仿真需求以及發展現狀，支持過國內航空、航天、汽車、醫療、能源、機械、電子等各領域的增材制造仿真問題，針對客戶的需求能夠提供有效、合理的增材制造仿真解決方案，為客戶解決實際問題。
展開 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。
展開 在本研究中，在一個10.4×10.4×4.5大小的粉床上制作多道直線激光加工實驗，每道加工長度為8mm，共加工六道。希望透過本研究了解匙孔氣泡形成機制。
1. 匙孔的形成
最初的加熱區域先形成較淺的熔池
反沖壓力造成熔融金屬流體向下運動
向下的流體運動以及熱點造成匙孔持續增長
熱量往熔池后端移動，造成匙孔邊緣的溫度繼續上升，形成更大的反沖壓力
匙孔引起的氣泡缺陷形成機制
匙孔底部的反沖壓力持續增加，造成熔池上緣區域的表面張力隨之增加
局部冷卻的金屬開始閉合，形成不規則的氣泡
向下的流體流動將這些氣泡往熔池后端推動
氣泡隨即被困在凝固的金屬熔池內
用FLOW-3D AM軟件進行仿真，并與實驗比對。
2. 模型驗證
以170W的激光加工實驗與數值模型比對，上圖為氣泡深度VS直徑。黑色方框為實驗數據，紅色圓圈為仿真結果，兩者趨勢一致。
上表為氣泡的平均直徑和深度數據，以及熔池的平均寬度和深度數據，仿真與實驗結果相當接近。
展開 時間倒退到80年代末和90年代初，美國、德國和瑞典的研究人員開始電子束和激光將腔體內的金屬粉末床焊接成復雜的三維形狀。增材制造（AM）的激光粉末床熔融（LPBF）和電子束粉末床熔融（EB-PBF）技術由此誕生。LPBF由SLM Solutions和EOS在90年代中期實現商業化，而EB-PBF則由Arcam AB在1997年實現商業化。
△EOS的AMCM M 290-2 1kW 激光粉末床融合系統能夠以精細的幾何精度 3D 打印銅部件
將電子束和激光粉末床熔融技術作為競爭技術進行比較可能是不公平的，但25年后，由于各種原因，EB-PBF在整個金屬增材制造市場的應用方面仍然遠遠落后于LPBF，這已經不是行業秘密。
激光與電子束增材技術的發展趨勢
下圖展示了不同機器原始設備制造廠家的EB-PBF技術在不同時間段的發展歷程，該圖揭示了兩個有說服力的觀察結果：
1. 近 20 年來，Arcam 主推LPBF增材制造技術應用，并與其他使用LPBF技術的制造商展開競爭。
2. GE 于 2016 年收購 了Arcam公司 ，進軍增材制造市場，隨后至少有六家新公司同樣進入了這一行業。
△EB-PBF機器OEM廠商的演變。圖片來源：巴恩斯全球顧問公司
讓我們試著將其進一步分解。了解電子束和粉末特性之間的相互作用，避免粉末冒煙等問題，以及提高高壓架構和真空室的可靠性和穩定性，這些都是復雜的問題，并提高了新入局公司應用EB-PBF技術的門檻。
EB-PBF很難達到LPBF設備的生產效率。對零件制造商來說，為了實現在無殘余應力的情況下以更高的層厚進行快速打印，需要對真空度、冷卻速度、陰極更換頻次和改善零件表面光潔度所需的時間進行控制。
與LPBF技術相比，EB-PBF的核心優勢在于它能夠熔化高溫、易裂和反射的合金。
展開 針對以上問題，?？怂箍灯煜碌腟imufact Additive仿真軟件可對打印部件進行快速仿真分析，預測可能的打印失效方式，并可對部件的打印變形進行自動迭代補償，幫助客戶實現“一次打印即可成功”的目標需求。
Simufact Additive簡介
Simufact.Additive 是全新開發的增材制造工藝仿真軟件，專門用于模擬金屬材料鋪粉增材制造過程。通過Simufact. Additive不僅可以虛擬再現增材制造過程，預測增材制造過程中以及結束后結構的變形和最終形狀、殘余應力。并可以輔助進行增材制造工藝參數（堆積方向、支撐結構、切割方向、材料、掃描速度、熱源參數等）的設計和優選。進而幫助設計人員進行改進工藝設計方案的虛擬驗證，從而最終實現“一次打印即可成功”的目的。
Simufact.Additive 側重于粉床熔融工藝仿真分析，其中包括選擇性激光熔融（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、LaserCUSING?、等效模擬EBM（考慮真空環境和基板預熱）、多種金屬粉末床熔融（PBF）等。
圖：Simufact.Additive圖形用戶界面（前處理）
Simufact Additive典型案例
1） 膝關節3D打印仿真案例
圖：膝關節定制模型
通過Simufact Additive軟件，對膝關節產品的3D打印過程進行精確復現，可完美預測打印各個環節膝關節模型的各項參數指標。軟件自動對變形位置進行反變形補償優化，降低產品打印后的變形量，幫助用戶提高產品精度，降低試錯打印的成本，同時幫助患者早日獲得定制產品。
圖：膝關節變形自動優化
2）患者特定植入物
鈦合金具有優秀的生物兼容性，并且重量輕，剛度好，是人體植入物的首選材質。
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面對以上問題，?？怂箍低瞥隽薙imufact Additive粉床熔融增材制造工藝仿真方案并新增了缺陷分析模塊PDA，有效應對增材制造中的關鍵挑戰。
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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
Mohamad Bayat, et al. Keyhole-induced porosities in Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and experimental validation.
在本研究中，在一個10.4×10.4×4.5大小的粉床上制作多道直線激光加工實驗
Simufact.Additive 側重于粉床熔融工藝仿真分析，其中包括選擇性激光熔融（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、LaserCUSING?、等效模擬EBM（考慮真空環境和基板預熱）、多種金屬粉末床熔融（PBF）等。
南極熊導讀：半個多世紀以來，關于激光和電子束這兩種能量束中究竟哪一種更適合成為精密焊接金屬的可行技術，學術界一直爭論不下。其中電子束能產生更深的焊接穿透力，但需要真空來防止光束散射，這意味著昂貴的真空室限制了應用的規模。激光的焊縫穿透力較小，不需要真空，也不受真空室的限制，但容易受到氣體污染的影響。所以，它們都有各自的價值主張和應用，。
時間倒退到80年代末和90年代初，美國、德國和瑞典的研究人員開始電子束和激光將腔體內的金屬粉末床焊接成復雜的三維形狀
在激光熔覆及粉床熔融工藝仿真方面，具有獨特的優勢。
盧鳴飛老師將通過詳細地介紹simufact仿真軟件，并講解三個最新應用實例，讓大家了解學習simufact軟件仿真過程，掌握相關分析方法。
為了大家能夠學到更多自己渴望的知識，技術鄰后續將會繼續開展專家直播。
