Laser-based metal processing including welding and three dimensional printing, involves localized melting of solid or granular raw material, surface tension-driven melt flow and significant evaporation of melt due to the applied very high energy densities. The present work proposes a weakly compressible smoothed particle hydrodynamics formulation for thermo-capillary phase change problems involving solid, liquid and gaseous phases with special focus on selective laser melting, an emerging metal additive manufacturing technique. Evaporation-induced recoil pressure, temperature-dependent surface tension and wetting forces are considered as mechanical interface fluxes, while a Gaussian laser beam heat source and evaporation-induced heat losses are considered as thermal interface fluxes. A novel interface stabilization scheme is proposed, which is shown to allow for a stable and smooth liquid-gas interface by effectively damping spurious interface flows as typically occurring in continuum surface force approaches. Moreover, discretization strategies for the tangential projection of the temperature gradient, as required for the discrete Marangoni forces, are critically reviewed. The proposed formulation is deemed especially suitable for modeling of the melt pool dynamics in metal additive manufacturing because the full range of relevant interface forces is considered and the explicit resolution of the atmospheric gas phase enables a consistent description of pore formation by gas inclusion. The accuracy and robustness of the individual model and method building blocks is verified by means of several selected examples in the context of the selective laser melting process.


翻译:包括焊接和三维印刷在内的基于激光的金属加工,包括焊接和三维印刷,涉及固态或颗粒原料局部熔化,表面压力驱动的熔化流,以及由于应用极高的能量密度而导致熔化的大量蒸发。本项工作提出了一种微弱压缩的平滑粒流体流体动力制剂,用于热毛片阶段的变化问题,涉及固体、液态和气态阶段,特别侧重于选择性激光熔化,一种新兴的金属添加剂制造技术。蒸发引起的回气压力、温度依赖表面紧张和湿力被视为机械界面通量,而高斯激光激光热源和蒸发引起的热损被视为热通量热通量的热通量通量通量通量通量通量通量通量通量。提出了一种新的界面稳定化办法,通过有效阻隔断表面力量方法(一种新兴的金属电流),从而实现稳定、顺畅的液体-气流流,从而实现稳定、顺畅的混合的气体制造方式,从而完全能够将各种金属溶化池结构的精度的精度的精度的精度的精度的精度流化过程进行模拟。

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