مطالعه اثر سرعت اسكن و توان ليزر بر حوضچه مذاب در فرآيند ذوب انتخابي ليزر به كمك معادلات حركت مذاب براي Ti6Al4V

The Study of Scan Speed and Laser Power Effects on the Molten Pool in Selective Laser Melting of Ti6Al4V Based on the Molten Motion Equations

روش ذوب انتخابي ليزر، يكي از روش‌هاي ساخت افزايشي است كه در آن قطعات با ساختارهاي هندسي متنوع به‌صورت لايه به لايه، توسط ذوب پودر فلز ايجاد مي­شود. گراديان دما در محل ذوب، به پارامترهاي فرآيند مانند سرعت اسكن و توان ليزر وابسته است كه بر روي ابعاد حوضچه مذاب و كيفيت سطح تأثير دارد. با توجه به ماهيت گذرا و ابعاد بسيار كوچك حوضچه مذاب، كنترل و اندازه‌گيري گراديان دماي ايجاد شده و ابعاد حوضچه مذاب نسبتاً دشوار است. در اين مقاله از يك مدل اجزاي محدود جهت تحليل فرآيند و مطالعه اثر سرعت اسكن و توان ليزر، بر روي بستري از آلياژ Ti6Al4V استفاده شده است. در اين مطالعه ابتدا معادلات نظريه ليزر بررسي شد و پس از مدل‌سازي، صحت ليزر مدل شده با نمونه تجربي مورد مقايسه قرار گرفت. پس از صحت‌سنجي مدل‌سازي ليزر، فرآيند ذوب انتخابي ليزر بررسي و تحليل اجزاي محدود براي توان­ و سرعت­هاي مختلف انجام شد. براي مدل‌سازي از فيزيك‌هاي مختلفي در نرم‌افزار، به‌طور هم‌زمان شامل انتقال حرارت همراه با معادلات تغيير فاز جامد به مايع، تنش سطحي (اثر مارانگوني) و جريان آرام سيال (معادلات ناويراستوكس) همراه با اثر گرانش استفاده شد. ابعاد حوضچه مذاب، گراديان دما در راستاهاي مسير حركت ليزر، پهنا و عمق لايه مذاب و همچنين بررسي پيدايش عيب اثر توپي شدن، مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايج مدل عددي جهت صحت­سنجي با مدل تجربي مقايسه شد كه سازگاري مناسبي را با نمونه تجربي نشان مي‌دهد.

Selective laser melting (SLM) is a laser powder-bed fusion method that offers great potentials in producing components with complex shapes and geometries. Process parameters like laser power and scan speed have significant effect on the induced temperature gradient which determines the molten pool dimensions and surface integrity. Due to the transient feature and fine dimensions of the molten pool, monitoring and measuring the induced temperature gradient and the pool dimensions are extremely challenging. In this article, a finite element model has been used to analyze the process and investigate the scanning speed and laser power parameters during the SLM process on a substrate of Ti6Al4V alloy. In this study, first the theoretical equations of laser have been investigated and after modeling, the accuracy of the modeled laser has been compared with the experimental model. After verifying the laser modeling, the FEM analysis of SLM has been carried out for various laser powers and scan speeds to study the effects of the mentioned process parameters. For the modelling, various physics assumptions have been simultaneously used in the software including heat transfer, solid to liquid phase changes equations, surface tension (Marangoni effect), and laminar fluid flow (Navier-Stokes equation) along with the gravity effect. Molten pool dimensions, temperature gradient along the laser moving heat source, width, and depth of the molten pool, as well as the occurrence of the balling effect phenomenon, have been studied separately in each case. The results obtained by FEM analysis have been compared with the experimental model, showing good compatibility.