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武汉理工大学、湖北隆中实验室及华中科技大学的研究人员综述了激光粉末床熔融的熔池模拟技术。相关论文以“Melt Pool Simulation Technology of Laser Powder Bed Fusion: A Review”为题发表在《JOM》上。
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激光粉末床熔融（L-PBF）涉及不同尺度多个物理场的耦合。通过实验捕捉L-PBF过程中熔池的动态流动和热行为并预测其质量具有挑战性，因此数值模拟成为一种有效的方法。模拟结果可以预测和评估材料和工艺参数变化对最终产品质量的影响。本文综述了选择适当模型、进行模拟计算和分析结果的方法。本文全面总结了物理模型、热损失模型、模拟所需的热源以及熔池内产生的应力。此外，论文还探讨了L-PBF熔池模拟的实际应用，尤其是在缺陷分析和复杂结构制造方面。最后，报告对L-PBF模拟的当前趋势进行了深入分析，并概述了推动熔池模拟发展的潜在研究方向。
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图 1选择性激光熔化原理示意图：（a）定向能沉积；（b）电子束熔化
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图 2熔池模拟分析流程
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图 3熔池前沿模型示意图
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图 4温度场分析
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图 5应力场分析
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图 6熔池特征
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图 7 L-PBF模拟在缺陷研究中的应用
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图 8 L-PBF模拟在复杂结构制造中的应用
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图 9理想热源模型和光反射与折射示意图
本文综述了L-PBF过程中熔池模拟的最新研究。文章主要讨论了该过程的建模、研究方法和结果。得出以下结论：1.结构网格最适合熔池模拟研究，通常选择六面体网格。热源通常选择高斯分布体热源。 目前，基于蒙特卡罗方法的射线追踪热源是热源研究的一个趋势性课题。2.在有限元模型等大规模模拟中，粉末和粉末床通常被简化为等效连续模型，以降低计算复杂度。CFD模型考虑了单个粉末的流动和熔化，能更准确地反映熔池的变化，但需要更多的计算资源。3.熔池的表面形貌、流动机制和缺陷的形成机制是大多数研究的重点。数值模拟有助于研究L-PBF熔池。通过了解熔池的流动机制和预测零件质量，可以相应地调整制造参数。随着L-PBF工艺的发展和数值模拟方法的完善，未来的研究方向如下：1.有限元模型适合研究物理场的分布，而CFD模型更适合研究粉末与高能束之间的相互作用以及熔池内的流动动力学。考虑联合多尺度模拟将是一个值得研究的方向。2.数值模拟的精度与网格、热源和所选分析方法有关。材料的热物理参数也是影响模拟结果的重要因素。高温熔融金属参数的实验测定仍然是一个挑战，因为设备可能会损坏。因此，必须开展进一步研究，以获得准确、平滑的材料热物理参数曲线。3.熔池模拟目前还没有统一的标准来判断模拟结果的可靠性。建立统一的数值分析标准是今后可以研究的另一个重点。
原文：Tang, D. Melt Pool Simulation Technology of Laser Powder Bed Fusion: A Review. JOM 76, 4663–4682 (2024).
来源：长三角G60激光联盟
