一套用于隔離并復(fù)現(xiàn)增材制造中金屬粉末鋪粉過程的定制實驗裝置，在鋪粉進行到第5至10層之后，出現(xiàn)了無法解釋的堆積密度突增。我們借助開源軟件框架Lethe，采用離散元法(DEM)復(fù)現(xiàn)了導(dǎo)致這一致密化現(xiàn)象的實驗。結(jié)果表明，大規(guī)模多層DEM模擬能夠重現(xiàn)實驗中觀測到的致密化現(xiàn)象。基于拉格朗日模擬結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)在最初幾層鋪粉過程中，粉床內(nèi)部顆粒發(fā)生顯著位移，并伴隨有由粉床四周剛性豎直壁面形成的靜止區(qū)。致密化的程度及其開始出現(xiàn)的層數(shù)，均與界定鋪粉區(qū)域的兩道豎直壁面之間的距離相關(guān)。本研究加深了對多層鋪粉過程中粉床行為特性的理解，同時驗證了我們的DEM框架準(zhǔn)確預(yù)測增材制造工藝中粉床堆積密度的能力。

文章發(fā)表在《Powder Technology》上，題目為“Increase in packing density during multi-layer powder spreading: An experimental and numerical study"。

這套定制裝置在每鋪粉一層后，測量整個粉末床的質(zhì)量；利用相鄰兩層之間的質(zhì)量差值，可換算得到整個粉末床的相對密度，或?qū)酉鄬γ芏?LRD)。

圖2展示單次測量的操作流程，從初始狀態(tài)開始(圖2a)。原料平臺擠出新粉末，同時測量板在薄壁圍框內(nèi)部滑動下降，由 Micronix ES-50PM-11500壓電電機驅(qū)動(圖2b)。隨后刮板以恒定速度移動，將新粉末鋪撒在測量板上(圖2c)。最后將多余粉末被收集至粉末收集器。

測量板組件下方放置一臺分辨率1毫克的Sartorius WZA1203-NC天平，原位記錄每一層鋪粉后沉積粉末的質(zhì)量。測量板組件由測量板與圍邊薄壁組成，整體由該天平承載；組件外圍留有500微米間隙，保證天平僅稱量落在組件上方的粉末(圖2d)。此外，每次稱重前，真空裝置會自動清理下方間隙，確保間隙內(nèi)、間隙上方的粉末不會被計入稱量結(jié)果。被真空吸走的粉末，可在實驗結(jié)束后從過濾器中回收。

這套全自動裝置如圖3b所示，可更換不同幾何外形的刮板；鋪粉速度(V_s)可調(diào)范圍2~200毫米每秒，原料平臺垂直位移(δ_f)可調(diào)范圍0.05~32毫米，層厚(δ_I)可調(diào)范圍20~200微米。盡管該裝置支持大范圍工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，但本研究僅采用表1列出的一組參數(shù)開展實驗?？刹榭囱a充材料中的EXP-APP視頻，觀看該實驗裝置的運行過程。

圖3a為鋪粉裝置等軸測示意圖，標(biāo)注了本研究涉及的關(guān)鍵尺寸，參數(shù)列于表2。(W₁)、(W₃)分別為原料平臺與測量平臺的長度和深度。(W₂)為兩個平臺之間過渡板的長度，(W₄)為測量平臺與收集器之間的距離。(R_s)是刮板半徑，(δ_f)為刮板尖端到過渡板的豎直距離(沿y方向)。(R_fp)是原料平臺拐角的圓角半徑，(δ_gap)為間隙尺寸，(δ_wall)為圍邊薄壁的厚度。