工学院刘谋斌课题组在金属增材制作工艺进程模
来源:战略网 发表于2019-07-09 11:21:14 编辑:海陆
摘要: 增材制作(即3D打印)减少了传统制作工艺在优化规划、结构立异及杂乱结构制作上的困难,为下一代工业革命奠定了根底。模仿与仿真能够进步增材制作

  增材制作(即“3D打印”)减少了传统制作工艺在优化规划、结构立异及杂乱结构制作上的困难,为下一代工业革命奠定了根底。模仿与仿真能够进步增材制作产能,缩短资料与产品研制周期,猜测及批改产品瑕疵,下降生产成本,在增材制作进程中起着日益重要的效果。美国、德国等制作业大国现已将增材制作模仿与仿真技能及软件的研制作为增强其在先进制作范畴全球竞争力的首要途径,而我国面对增材制作要害算法缺乏和工艺软件缺失的严峻实践。

  金属粉末增材制作是3D打印技能的一个首要分支,现已被广泛运用在航空航天、轿车及生物医学等很多范畴。其首要工艺进程包含金属粉末的运送或铺放,以及激光等高能量源效果下粉床的熔融和快速凝结两个阶段循环甚至最终成形的进程,触及的资料参数与工艺参数很多(如金属粉末的巨细、形状及散布;光源强度、半径、扫描速度及扫描战略等),难以仅经过试验优化工艺参数,进步产品功能。现有的算法与软件一般不能考虑输粉进程中金属粉末和环境(维护气体)的相互效果,也难以统筹粉床熔融及凝结进程中的多标准、多相活动与传热等要害科学问题,因而不能模仿金属增材制作实在进程,难以复现球化、部分熔化、未交融等现象,也难以猜测增材制作产品的内部缺点(如空泛、气泡等)。

  最近,北京大学工学院刘谋斌课题组(先进核算与多介质耦合力学)在金属增材制作工艺进程模仿与产品缺点猜测方面获得系列重要研讨进展,提出了原创算法,开展了自主可控的一体化模仿技能,从理论上建立了资料物性及工艺参数与增材制作产品缺点的相关。所开展的算法、求解器和无量纲数现已使用于某航天科技重要部件增材制作工艺进程模仿与缺点剖析,并能推行至其它粉末冶金相关范畴。

  针对金属粉末运送气固颗粒两相活动,课题组原创性地开展了一种半解析耦合算法(Semi-resolved CFD-DEM),完成了杂乱区域中金属颗粒与外部气体的双向彻底耦合效果(图1),突破了传统解析耦合算法(Resolved CFD-DEM)功率低和传统非解析耦合算法(Unresolved CFD-DEM)精度低的约束。相关作业宣布在核算流体力学闻名期刊Journal of Computational Physics (2019,384:151–169),榜首作者为北京大学工学院2019级硕士生王泽坤(已确认硕转博),北京大学工学院2019级本科生滕郁骏(已确认赴University of Pennsylvania攻读博士)为一起榜首作者。

  图1 同轴送粉模仿

  课题组在粉末标准(powder scale)上开展了激光效果下金属粉床熔融与凝结的求解器,考虑了多相活动、传热、相变及热应力等要害问题,引入了最新的界面处理算法追寻并重构熔化的液体金属和固态金属界面,并作为下次铺粉的鸿沟,然后完成了金属增材制作从送粉/铺粉到熔融凝结进程的一体化模仿。该求解器能够复现金属增材制作球化、部分熔化、未交融等传统商业软件难以模仿的现象,并能够用于研讨粉床温度散布,以及猜测增材制作产品的内部缺点(如空泛、气泡等),是现在国际上少量几个能完成金属增材制作多道多层工艺进程模仿的求解器之一。相关作业宣布在核算力学闻名期刊Computational Mechanics(2019,63:649–661),榜首作者为王泽坤。

  图2 粉末标准熔化和凝结

  课题组经过对光源参数及资料物性参数进行无量纲剖析,结合数值模仿和试验观测,提出了若干重要的无量纲数,消除了激光参数及资料参数的不同对模仿成果的不同影响,是决议成型试件的孔隙率及激光熔道标准的要害参数。例如,所提出的等效多道蒸腾率,能够定量描绘不同资料在不同激光参数下相同的试件孔隙率改变行为,并找到一个安稳区间:即等效多道蒸腾率约处于0.5和0.8之间时,成型试件的孔隙率能够保持在一个安稳的最低点(如图3、图4),然后有望完成最佳的产品功能,这对工程实践使用有着开拓性、指导性含义。这项作业以“”为题,近期在线宣布于资料加工与成形范畴闻名期刊Journal of Materials Processing Technology,榜首作者为王泽坤。

  图3 双道激光熔化粉床及孔隙状况

  图4 孔隙率与等效蒸腾率的定量规则

  该作业得到国家重点研制方案(高通量多标准资料模仿与功能优化规划渠道)的支撑。王泽坤因金属增材制作工艺进程(激光选区熔融)模仿的相关作业荣获2019年第13届OpenFoam全球开发者大会最佳学生陈述奖(图5)。更多概况拜见。

  

  图5 第13届OpenFoam全球开发者大会最佳学生陈述奖

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