Моделирование источника тепла при селективном лазерном плавлении

Селективное лазерное плавление (SLM) — развивающаяся технология аддитивного производства (AM) металлов. Сложные трёхмерные детали формируются из порошкового слоя путём селективного расплавления заданных областей порошка; процесс повторяется послойно до получения готовой детали. Необходимое тепло поставляется лазером. Величина и история температур в процессе SLM непосредственно определяют размеры ванны плавления, термические и остаточные напряжения, эффект образования шариков (balling) и размерную точность. Взаимодействие лазера с веществом является ключевым физическим явлением в SLM. В данной статье представлены пять различных моделей источника тепла для аналитического прогнозирования трёхмерного температурного поля: стационарный движущийся точечный источник тепла, нестационарный движущийся точечный источник тепла, полуэллиптический движущийся источник, двойной эллиптический движущийся источник и равномерный движущийся источник. Аналитическая температура для каждой модели источника тепла получается решением трёхмерных дифференциальных уравнений теплопроводности с применением различных методов. Стационарные и нестационарные движущиеся источники решаются методом разделения переменных, тогда как остальные модели решаются с использованием функций Грина. Поскольку при воздействии лазера достигаются высокие температуры и большие градиенты температуры, существенно влияющие на тепловые свойства материала, прогноз температурного поля выполняется с учётом температурной чувствительности этих свойств. Кроме того, многократное нагревание и охлаждение приводит к повторяющимся циклам плавления и кристаллизации; это учитывается путём модификации удельной теплоёмкости с включением скрытой теплоты плавления. Многослойный аспект металлического AM учтён за счёт включения температурной истории предыдущих слоёв, так как взаимодействие слоёв влияет на теплообмен. Предложенные модели температурного поля на основе разных подходов к источнику тепла валидированы с использованием экспериментальных измерений геометрии ванны плавления из независимых экспериментов. Приведено подробное сравнение моделей и обсуждается влияние технологических параметров на эффект balling.