基于Flow3D离散元的增材过程工艺仿真 原创

王野 | 320科技工作室 | 多物理场仿真

一、技术背景

激光粉末床熔融（LPBF）是金属增材制造领域应用最广泛的工艺之一。在LPBF过程中，金属粉末经历铺粉、激光熔化、快速凝固等复杂的物理过程，涉及粉末流动、熔池动力学、热传导和相变等多物理场耦合。实验手段难以直接观测熔池内部的温度场、流场和粉末颗粒行为，而基于离散元法（DEM）与计算流体力学（CFD）耦合的数值仿真技术，可以高保真地再现这些微观过程，为工艺参数优化提供定量依据。

我们基于Flow3D软件的离散元模块，建立了从粉末沉降、刮刀铺粉到激光熔化的完整LPBF工艺仿真工作流。以下从三个关键步骤介绍仿真实现方式。

二、仿真流程

第一步：粉末沉降。通过设定不同的颗粒粒径分布和铺粉层厚等工艺参数，将金属粉末颗粒在重力作用下沉降到成形基板上。模型中不同颜色代表不同粒径的粉末颗粒，可直观展示粉末床的粒径分布和堆积密度。

▲ 图1 粉末颗粒沉降模拟——不同颜色代表不同粒径的粉末

第二步：刮刀铺粉。按照刮刀的实际运动速度进行设置，模拟刮刀将粉末均匀铺展在基板上的过程。该步骤能够分析刮刀速度、间隙高度等参数对粉末床均匀性和堆积密度的影响，为实际铺粉工艺提供参考。

▲ 图2 刮刀铺粉过程仿真

第三步：激光熔化。设置激光功率、光斑直径、扫描速度等关键工艺参数，控制激光沿指定路径扫描粉末床。该步骤可以模拟熔池的形成与演化、Marangoni对流、粉末飞溅等现象。

▲ 图3 激光熔化过程仿真——激光扫描路径与熔池形态

三、核心功能

本仿真工作流具备以下关键能力：

① 多层粉床模拟：通过存储前一层的熔化状态，在前一层已凝固的表面上重新铺粉并再次进行激光熔化，可不断重复以模拟完整的逐层堆积过程，适用于研究多道次搭接和层间冶金结合质量。

▲ 图4 多层粉床逐层堆积模拟结果

② 连续激光与脉冲激光的加载方式：支持连续激光（CW）和脉冲激光两种模式，可对比分析不同激光加载形式对熔池温度场、冷却速率和微观组织的影响，为激光模式选择提供工程依据。

（a）连续激光 （b）脉冲激光

▲ 图5 不同激光加载方式对比

③ 多材料LPBF工艺仿真：支持设置材料热物理性能随温度的变化曲线，可观察不同合金粉末在激光作用下的熔化、混合和凝固行为，适用于异种材料或梯度材料增材制造的工艺开发。

▲ 图6 不同材料示意图

四、匙孔效应与缺陷分析

当激光能量密度过高时，熔池内金属蒸气反冲压力将液态金属向下推开，形成深而窄的匙孔（Keyhole）。匙孔不稳定塌陷会导致气孔卷入熔池，形成匙孔气孔缺陷。本仿真工作流可以捕捉匙孔的形成、振荡和塌陷过程，为抑制气孔缺陷提供工艺窗口参考。



▲ 图7 匙孔形成与气孔缺陷仿真

五、我们的仿真服务

320科技工作室在增材制造工艺仿真领域积累了丰富的工程经验，可为客户提供以下专业服务：

① 基于Flow3D的LPBF粉末铺展与激光熔化工艺仿真，涵盖粉末沉降、刮刀铺粉、激光扫描等完整流程

② 工艺参数窗口优化：激光功率、扫描速度、光斑尺寸、预热温度等多参数耦合分析，确定无缺陷成形窗口

③ 多材料增材制造仿真：钛合金、铝合金、镍基高温合金、异种材料及梯度材料的LPBF工艺评估

④ 匙孔效应与气孔缺陷分析：能量密度—缺陷映射及工艺抑制策略

⑤ 多层多道次搭接仿真：层间冶金结合质量与残余应力评估

如果您有增材制造工艺开发或仿真需求，欢迎私信联系我们，我们将根据您的具体材料和几何特征提供定制化仿真方案。

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。