技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES
更新時(shí)間：2026-09-18
點(diǎn)擊次數(shù)：138
一、摘要
一套用于隔離并復(fù)現(xiàn)增材制造中金屬粉末鋪粉過程的定制實(shí)驗(yàn)裝置，在鋪粉進(jìn)行到第5至10層之后，出現(xiàn)了無法解釋的堆積密度突增。我們借助開源軟件框架Lethe，采用離散元法(DEM)復(fù)現(xiàn)了導(dǎo)致這一致密化現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，大規(guī)模多層DEM模擬能夠重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的致密化現(xiàn)象。基于拉格朗日模擬結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在最初幾層鋪粉過程中，粉床內(nèi)部顆粒發(fā)生顯著位移，并伴隨有由粉床四周剛性豎直壁面形成的靜止區(qū)。致密化的程度及其開始出現(xiàn)的層數(shù)，均與界定鋪粉區(qū)域的兩道豎直壁面之間的距離相關(guān)。本研究加深了對(duì)多層鋪粉過程中粉床行為特性的理解，同時(shí)驗(yàn)證了我們的DEM框架準(zhǔn)確預(yù)測(cè)增材制造工藝中粉床堆積密度的能力。
文章發(fā)表在《Powder Technology》上，題目為“Increase in packing density during multi-layer powder spreading: An experimental and numerical study"。
二、實(shí)驗(yàn)方法
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
這套定制裝置在每鋪粉一層后，測(cè)量整個(gè)粉末床的質(zhì)量；利用相鄰兩層之間的質(zhì)量差值，可換算得到整個(gè)粉末床的相對(duì)密度，或?qū)酉鄬?duì)密度(LRD)。
圖2展示單次測(cè)量的操作流程，從初始狀態(tài)開始(圖2a)。原料平臺(tái)擠出新粉末，同時(shí)測(cè)量板在薄壁圍框內(nèi)部滑動(dòng)下降，由 Micronix ES-50PM-11500壓電電機(jī)驅(qū)動(dòng)(圖2b)。隨后刮板以恒定速度移動(dòng)，將新粉末鋪撒在測(cè)量板上(圖2c)。最后將多余粉末被收集至粉末收集器。
測(cè)量板組件下方放置一臺(tái)分辨率1毫克的Sartorius WZA1203-NC天平，原位記錄每一層鋪粉后沉積粉末的質(zhì)量。測(cè)量板組件由測(cè)量板與圍邊薄壁組成，整體由該天平承載；組件外圍留有500微米間隙，保證天平僅稱量落在組件上方的粉末(圖2d)。此外，每次稱重前，真空裝置會(huì)自動(dòng)清理下方間隙，確保間隙內(nèi)、間隙上方的粉末不會(huì)被計(jì)入稱量結(jié)果。被真空吸走的粉末，可在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后從過濾器中回收。
這套全自動(dòng)裝置如圖3b所示，可更換不同幾何外形的刮板；鋪粉速度(Vs)可調(diào)范圍2~200毫米每秒，原料平臺(tái)垂直位移(δf)可調(diào)范圍0.05~32毫米，層厚(δI)可調(diào)范圍20~200微米。盡管該裝置支持大范圍工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，但本研究?jī)H采用表1列出的一組參數(shù)開展實(shí)驗(yàn)。可查看補(bǔ)充材料中的EXP-APP視頻，觀看該實(shí)驗(yàn)裝置的運(yùn)行過程。
圖3a為鋪粉裝置等軸測(cè)示意圖，標(biāo)注了本研究涉及的關(guān)鍵尺寸，參數(shù)列于表2。(W1)、(W3)分別為原料平臺(tái)與測(cè)量平臺(tái)的長度和深度。(W2)為兩個(gè)平臺(tái)之間過渡板的長度，(W4)為測(cè)量平臺(tái)與收集器之間的距離。(Rs)是刮板半徑，(δf)為刮板尖端到過渡板的豎直距離(沿y方向)。(Rfp)是原料平臺(tái)拐角的圓角半徑，(δgap)為間隙尺寸，(δwall)為圍邊薄壁的厚度。
2.2 粉 末
本研究所有實(shí)驗(yàn)均采用Advanced Powders and Coatings(AP&C)公司生產(chǎn)的商用Ti?6Al?4V鈦合金粉末。圖4a該粉末的粒度分布(PSD)，采用貝克曼庫爾特LS-13-320設(shè)備通過激光衍射法測(cè)得。藍(lán)色曲線代表微分分布，綠色曲線為累積分布，二者均基于體積統(tǒng)計(jì)；陰影區(qū)域?yàn)殡x散元(DEM)模擬中排除的粒徑范圍。粒度分布的第10百分位粒徑d10和第90百分位粒徑d90分別為51μm和99μm。圖4b是該粉末的掃描電鏡(SEM)圖像，使用Semplor公司NANOS臺(tái)式掃描電鏡在15 kV電壓下拍攝。從形貌上看，該粉末衛(wèi)星顆粒較少，顆粒呈球形。
圖4粉末粒度分布與數(shù)值模擬 (a)本研究所用AP&C公司Ti-6Al-4V粉末的粒度分布，陰影區(qū)域代表模擬中剔除的粒徑范圍。(b)實(shí)驗(yàn)所用Ti-6Al-4V粉末的SEM圖像，采用Semplor公司NANOS臺(tái)式掃描電鏡在15kV電壓下拍攝。 (c)顆粒接觸力學(xué)示意圖，展示顆粒i與顆粒j之間的相互作用，包括法向力(Fn,ij)切向力(Ft,ij)、內(nèi)聚力(Fc,ij)，以及由切向力產(chǎn)生的力矩(Mt,ij)和滾動(dòng)阻力模型力矩(Mr,ij)。(d)歸一化作用力關(guān)系曲線，給出總法向接觸力隨歸一化重疊量的變化(不含阻尼項(xiàng))，圖中標(biāo)注了不同接觸狀態(tài)：無接觸(左側(cè))、零重疊(中部)、接觸(右側(cè))。
2.3 擴(kuò)散試驗(yàn)
每組實(shí)驗(yàn)按照給定工藝參數(shù)(表1)鋪撒21層粉末。第0層(首層)采用更大的送料系數(shù)，送料平臺(tái)垂直位移為2200μm，以保證測(cè)量基板被粉末全部覆蓋；后續(xù)各層的垂直位移設(shè)為600μm。通過測(cè)量每一層鋪粉后的粉末質(zhì)量，可采用式(1)、式(2)計(jì)算整個(gè)粉床的相對(duì)密度(又稱累積相對(duì)密度CRD)以及新鋪粉末層的層相對(duì)密度 LRD。
式中：mk為鋪完第k層后測(cè)量基板上粉末的總質(zhì)量；ρ為金屬合金粉末的理論密度；Amp為測(cè)量基板面積，取值5329mm2；δ1為層厚。需要注意：LRD從第k=1層開始計(jì)算，CRD從第k=2層開始計(jì)算。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論
本研究采用一套全新的實(shí)驗(yàn)裝置開展粉末鋪展實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一種在較高鋪層層數(shù)下出現(xiàn)、此前未見報(bào)道的致密化現(xiàn)象。研究采用三組不同的離散元(DEM)模型參數(shù)，通過靜態(tài)休止角實(shí)驗(yàn)與四種計(jì)算域長度完成參數(shù)標(biāo)定，開展大規(guī)模離散元模擬，復(fù)現(xiàn)該致密化現(xiàn)象并闡釋其成因。得到如下結(jié)論：
致密化現(xiàn)象與測(cè)量基板(成型基板)沿鋪展方向的長度相關(guān)。測(cè)量基板邊緣豎直壁面會(huì)形成前后兩個(gè)靜態(tài)區(qū)；當(dāng)這兩個(gè)靜態(tài)區(qū)相互融合時(shí)，粉末顆粒無法在鋪粉輥鋪設(shè)新粉末層時(shí)發(fā)生滑移，致密化現(xiàn)象就此產(chǎn)生。這表明，制造過程中成型件所形成的豎直壁面同樣會(huì)生成這類靜態(tài)區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致粉床出現(xiàn)局部致密化。
在鋪層層數(shù)較少時(shí)，新粉末可有效替換下方2–3層深度范圍內(nèi)已沉積的粉末。這說明，經(jīng)歷一次或多次完整固化過程(或熱循環(huán))的金屬顆粒，有可能從粉床內(nèi)層脫落，重新出現(xiàn)在成型表面，或是被推入粉末收集區(qū)。來自下層的這類氧化顆粒，會(huì)對(duì)后續(xù)固化過程或粉末回用產(chǎn)生不利影響。此外，若通過優(yōu)化鋪展參數(shù)，減少從成型基板帶走的粉末量，同一成型件的粉末消耗量有望降低。
本研究離散元模型參數(shù)所表征的粉末表面特性，會(huì)影響致密化現(xiàn)象的發(fā)生程度以及對(duì)應(yīng)的鋪層層數(shù)。可對(duì)這類粉末表面特性與粉末鋪展工藝參數(shù)協(xié)同調(diào)控，以此獲得理想的粉末層堆積密度。雖然本研究?jī)H聚焦鋪粉階段，未考慮層間固結(jié)效應(yīng)，但研究結(jié)果對(duì)工業(yè)激光粉末床熔融(LPBF)工藝仍具有很高參考價(jià)值，尤其適用于復(fù)雜構(gòu)件。在激光粉末床熔融工藝中，為減輕構(gòu)件重量，零件常設(shè)計(jì)有懸垂結(jié)構(gòu)(厘米量級(jí))和內(nèi)部空腔(毫米量級(jí))。這類結(jié)構(gòu)中，固態(tài)材料往往沉積在未固結(jié)區(qū)域上方，該區(qū)域粉末厚度相當(dāng)于十層以上粉末。本模型針對(duì)2毫米厚度(20層)粉末的行為開展研究，可直接模擬這類未凝固區(qū)域粉末床的穩(wěn)定狀態(tài)。后續(xù)研究將探究不同工藝參數(shù)與鋪粉裝置之間包括柔性的協(xié)同作用。
公司郵箱： info@shmicroinno.com
服務(wù)熱線： 021-6763 6879
公司地址： 上海市云振路臨港復(fù)旦科技園8號(hào)樓
Copyright © 2026 上海邁科英諾科學(xué)儀器有限公司 Al Rights Reserved
備案號(hào)：滬ICP備2023022215號(hào)-2
技術(shù)支持：化工儀器網(wǎng) 管理登錄 sitemap.xml
關(guān)于我們
公司簡(jiǎn)介 企業(yè)文化 聯(lián)系我們快速通道
產(chǎn)品中心 新聞中心 技術(shù)文章 在線留言推薦產(chǎn)品
NANOS分析型臺(tái)式掃描電子顯微鏡 MKH005透射電鏡雙傾冷凍樣品桿 NANOS分析掃描電鏡能譜一體機(jī) NANOS臺(tái)式掃描電鏡
當(dāng)前位置：