FLOW-3D AM是一個(gè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，用于模擬和分析增材制造過程，如激光粉床融合（L-PBF）、黏結(jié)劑噴射和定向能量沉積（DED）。

FLOW-3D AM的自由液面跟蹤算法及其多種物理模型可高精度模擬鋪粉、熔池動(dòng)力學(xué)、L-PBF和DED的氣孔形成、黏結(jié)劑噴射工藝的樹脂滲透和擴(kuò)散，分析和優(yōu)化工藝參數(shù)。

增材制造

增材制造，也被稱為3D打印，是一種用金屬粉末或金屬絲一層一層地制造零部件的方法。過去幾年，人們對(duì)金屬增材制造工藝的興趣大增。目前使用的三種主要增材制造工藝是粉床融合（PBF）、定向能量沉積（DED）和黏結(jié)劑噴射，F(xiàn)LOW-3D AM為這些過程提供了獨(dú)特的仿真視角。

在粉床融合和定向能量沉積過程中，激光或電子束都可用作熱源。在這兩種情況下，PBF的金屬粉末和DED工藝的金屬粉末或金屬絲被完全熔化并融合在一起，逐層形成零部件。然而，在黏結(jié)劑噴射工藝中，作為黏結(jié)劑的樹脂被選擇性地沉積在金屬粉末上，逐層形成零部件，然后將這些零部件燒結(jié)以獲得更好的致密度。FLOW-3D AM自由液面跟蹤算法及其多種物理模型可以高精度地模擬這些過程。

Laser-powder bed fusion (L-PBF) 激光粉床融合

L-PBF過程涉及復(fù)雜的多物理現(xiàn)象，如流體流動(dòng)、傳熱、表面張力、相變和凝固，這些現(xiàn)象對(duì)仿真的準(zhǔn)確性有重要影響。FLOW-3D AM模擬熔池現(xiàn)象時(shí)考慮粉末粒度分布和堆積分?jǐn)?shù)，同時(shí)求解質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程。

采用FLOW-3D DEM和FLOW-3D WELD模擬粉床融合全過程。L-PBF工藝的各個(gè)階段是鋪粉、粉末熔化和固化，然后在之前的固化層上鋪設(shè)新粉末，并再次將新層熔化和融合至之前固化層上。FLOW-3D AM可用于模擬這些階段。

• Powder bed laying process 鋪粉過程

使用FLOW-3D DEM，可以通過落下隨機(jī)分布的粒子并堆積鋪平來模擬鋪粉過程。

實(shí)現(xiàn)不同粉床堆積密度的一種方法是在鋪粉時(shí)選擇不同的粒度分布。如下圖所示，有三種不同大小的粒度分布，會(huì)產(chǎn)生不同的堆積密度，案例2給出了最高的堆積密度。

利用FLOW-3D DEM還可以對(duì)粒子-粒子相互作用、流體-粒子耦合和粒子-運(yùn)動(dòng)物體相互作用進(jìn)行詳細(xì)分析。此外，它也可以指定一個(gè)粒子間的力，以更精確地研究粉末擴(kuò)散應(yīng)用。

FLOW-3D AM采用離散元法（DEM）研究反向旋轉(zhuǎn)圓柱滾子對(duì)粉末擴(kuò)散的影響。開始時(shí)，粉末庫向上移動(dòng)，而加工平臺(tái)向下移動(dòng)，隨后滾筒立即將粉末傳遞到加工平臺(tái)上，為下一層的加工做準(zhǔn)備。這樣的模擬可以提供額外的視角，了解從粉末庫轉(zhuǎn)移到加工平臺(tái)的粉末優(yōu)選粒度。

• Powder bed melting 粉床熔化

鋪好粉床后，可以在FLOW-3D WELD中指定激光束工藝參數(shù)，以進(jìn)行高精度熔池模擬?？梢栽敿?xì)分析溫度、速度、固相分?jǐn)?shù)、溫度梯度及凝固速度。

熔池凝固后，F(xiàn)LOW-3D AM壓力和溫度數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)入到Abaqus或MSC Nastran等有限元工具中，以分析應(yīng)力和變形量。

• Double-layer additive manufacturing case study 雙層多路徑激光增材制造案例研究

此案例為某大學(xué)委托Flow Science China進(jìn)行的測試項(xiàng)目，基于FLOW-3D AM進(jìn)行金屬粉末在激光熱源下的熔化、流動(dòng)和凝固全過程仿真。雙層多路徑激光增材制造仿真過程：先在單層粉床進(jìn)行三平行路徑激光增材制造仿真，待此層凝固后重新鋪粉再進(jìn)行單一路徑（與首層中間路徑相同位置）激光熔化凝固過程模擬。

316L不銹鋼粉末球體直徑分別為15μm、20μm和25μm, 體積占比各1/3；粉床厚度50μm，單層粉床長度、寬度分別取1200μm、300μm；相鄰激光掃描路徑間距50μm。

按以上條件，分別在FLOW-3D 、DEM及 WELD模塊中設(shè)定參數(shù)后，運(yùn)行結(jié)果如下，符合預(yù)期。

Directed energy deposition 定向能量沉積

FLOW-3D AM的內(nèi)置粒子模型可用于模擬定向能量沉積過程。通過指定粉末注入速率和入射到固體基體上的熱通量，固體顆?？梢韵蛉鄢刂性黾淤|(zhì)量、動(dòng)量和能量。

Binder jetting 黏結(jié)劑噴射

黏結(jié)劑噴射模擬為研究受毛細(xì)作用力影響的黏結(jié)劑在粉床中的擴(kuò)散和滲透提供了視角，工藝參數(shù)和材料性能直接影響沉積和擴(kuò)散過程。

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