市場前線｜積層製造之雷射加熱與相變化模擬探討

摘要

積層製造 (Additive Manufacturing) 是近年來的發展趨勢，邁向智慧製造的關鍵技術，利用電腦輔助工程 (Computer Aided Engineering, CAE) 模擬積層製造，可協助發展與積層製造核心技術，減少嘗試錯誤。積層製造的核心重點為加熱機制，如雷射加熱 (Laser heating)，以及包含相變化 (Phase Change) 的熱傳與機械性質。本文重點探討各種雷射加熱模擬的方法以及金屬相變化在多重物理耦合軟體COMSOL Multiphysics的實現。

Additive manufacturing is a development trend in recent years. The key technology for smart manufacturing. Using Computer-Aided Engineering (CAE) to simulate additive manufacturing can help develop and build core manufacturing technologies and reduce trial and error. The core focus of additive manufacturing is the heating mechanism as laser heating, and the heat transfer and mechanical properties including phase changes. This article focuses on the various laser heating simulation methods and the implement of metal phase change by using multiphysics coupling software - COMSOL Multiphysics.

關鍵詞(Keywords)

積層製造、多重物理耦合、雷射加熱、相變化

Additive manufacturing, Multiphysics coupling, Laser heating, Phase change, COMSOL Multiphysics

前言

積層製造 (Additive Manufacturing) 具有廣泛的應用，例如製造客制化的醫療設備領域、航太零組件和藝術品設計創作等等，隨著潛在用途的不斷增長，這種類型的製造技術必須能夠滿足實際需求。傳統實驗方法來研究和優雜積層製造過程可能很困難且耗時的，3D列印的設備研究人員甚至使用者現在可以藉助電腦輔助功能模擬來克服這一挑戰。

有各種積層製造技術來滿足各種形式的需求，因此要研究整個積層製造過程背後的物理機制是很分散且複雜的，這其中包含有相變化 (Phase change)、能量、質量與動量傳遞、燒結 (Sintering)、光固化(Vat Photopolymerization)、乾燥 (Drying)、結晶 (crystallization)、材料變形與應力。

利用雷射照射粉末材料進行高溫燒結的選擇性雷射燒結（Selective Laser Sintering, SLS）是近年來熱門的積層製造技術，通過控制光源定位裝置實現精確定位來逐層燒結堆積成型。本文探討金屬積層製造過程中的雷射加熱與相變化熱傳的機制，介紹如何利用COMSOL Multiphysics多重物理量模擬來說明如何實現。

雷射-受熱材料交互作用

雷射光源的特性基本上是單頻率（單波長）及同調性 (coherent)，為狹窄的準直光束 (collimated beam)，能應用在如選擇性雷射燒結的精準熱源控制。雷射光打在一固體材料上，部分的能量被吸收，產生局部加熱現象，流體（液體、氣體、電漿）也會被雷射加熱，流體的加熱較為複雜，有明顯的對流效應需要考慮，在本文中，我們主要關注在固體材料的加熱上。

固體材料在雷射波段是部分透光或完全不透光，依據透光的程度，對模擬雷射光源有不同的方法，此外，我們也必須注意與光的波長的相對尺寸比較，假如雷射是非常窄的聚焦，相較於寬的光束，那麼採用不同的方法是需要的，假如材料與光束的交互作用存在與波長相當的幾何特徵時，我們也必須特別的考慮光束如何與這些微小結構的交互作用。

開始模擬雷射-受熱材料交互作用之前，需決定欲模擬材料在雷射波長和紅外光波長的光學屬性，需要知道受熱物的尺寸，以及雷射波長和光束特性，這些資訊將對導入模擬時非常有用。

表面與體積熱源模擬

假如在雷射波長是不透光的，以表面熱源來描述雷射光源是適當的，在COMSOL Multiphysics軟體熱傳模組提供『沉積光束功率 (Deposited Beam Power) 』介面來定義雷射光束表面產生的表面熱源，如圖1所示。此外，也提供手動定義的方式來設定表面熱源。表面熱源是假設光束中能量在表面吸收，相對物體尺寸深度距離方向的穿透是可忽略的，模擬網格只需要足夠的細化來解析溫度場以及雷射光點尺寸，雷射本身是不需要模擬進來，當考慮雷射光的一部分被受熱材料反射，可以調整材料在雷射波長的吸收率以及適當比例的沉積光束功率。

圖1 利用『沉積光束功率』來模擬兩個十字雷射光束，結果圖顯示表面熱源分佈

相較於表面熱源，體積熱源是假如受熱材料部分有透光，雷射功率將會材料內部區域沉積，而非表面上。依據材料幾何尺寸和波長來適當的選擇不同的方法，我們在下面單位進一步說明。

射線光學模擬

當受熱物尺寸遠大於波長，或研究雷射光源經過如反射鏡、透鏡等一系列光學元件反射時的光路聚焦和發散，那麼COMSOL Multiphysics射線光學 (Ray Optics) 模組是最佳的選擇，此方法即為幾何光學光追跡模擬，不考慮光的繞射效應，雷射光純粹是以光線來處理光在齊次、非齊次和損耗材料中的光路軌跡。

當光通過損耗介質如光學玻璃和入射表面時，部分功率沉積將加熱材料，材料內部的吸收藉由複數值折射率來模擬計算，而在表面上可以使用反射或吸收係數來考慮，這些屬性也可能是溫度相依性。