Laser-induced plume investigated by finite element modelling and scaling of particle entrainment in laser powder bed fusion

Although metal vaporisation has been observed in several laser processes such as drilling or welding, vapour plume expansion and its induced side effects are not fully understood. Especially, this phenomenon is garnering scientific and industrial interest since recent investigations in laser powder bed fusion (LPBF) have designated metal vaporisation as main source of denudation and powder spattering. The present study aims to provide a new insight on the dynamics of laser-induced vaporisation and to assess the potential of different gases for particle entrainment. A self-consistent finite element model of laser-induced keyhole and plume is thus presented for this purpose, built from a comprehensive literature review. The model is validated with dedicated experimental diagnostics, involving high-speed imaging to measure the ascent velocity of the vapour plume. The transient dynamics of vapour plume is thus quantified for different laser incident intensities and gas flow patterns such as the mushroom-like structure of the vapour plume are analysed. Finally, the model is used as a tool to quantify the entrainment flow expected in LPBF and an analytical model is derived to define a velocity threshold for particle entrainment, expressed in term of background gas properties. Doing so it is possible to predict how denudation evolves when the gaseous atmosphere is changed

Erratum: “Transient dynamics and stability of keyhole at threshold in laser powder bed fusion regime investigated by finite element modeling” [J. Laser Appl. 33, 012024 (2021)]

Correctio

Transient dynamics and stability of keyhole at threshold in laser powder bed fusion regime investigated by finite element modeling

A Finite element model is developed with a commercial code to investigate the keyhole dynamics and stability at keyhole threshold, a fusion regime characteristic to laser microwelding or to Laser Powder Bed Fusion. The model includes relevant physics to treat the hydrodynamic problems - surface tension, Marangoni stress, and recoil pressure - as well as a self-consistent ray-tracing algorithm to account for the "beam-trapping"effect. Implemented in both static and scanning laser configurations, the model successfully reproduces some key features that most recent x-ray images have exhibited. The dynamics of the liquid/gas interface is analyzed, in line with the distribution of the absorbed intensity as well as with the increase of the keyhole energy coupling. Based on these results, new elements are provided to discuss our current understanding of the keyhole formation and stability at threshold.The authors are grateful to Anthony D. Rollett and Tao Sun for helpful discussion on their x-ray experiments. This work has been supported by Safran Additive Manufacturing and Association Nationale de la Recherche et de la Technology (ANRT)

Compréhension et simulation des phénomènes physiques affectant la fabrication additive en SLM

Selective Laser melting (SLM) is an additive manufacturing process where successive powder layers are fused by a laser beam, following a computer-programmed pattern. Manufacturing suitable components (fully dense without a defect) relies on more than a hundred parameters (laser, material, working atmosphere, etc.) and is determined by both local and global phenomena (melt pool geometry, thermal gradient, phase change, thermal history, part geometry, etc.). However, a lot of practical results can be deduced from investigations at melt pool scale. The objective of the present thesis is precisely to investigate how local physical phenomena influence laser-matter interaction and melt pool hydrodynamics and stability in SLM regime. Three simulation tools are developed, regarding melt pool and vapour plus hydrodynamics, powder bed (with homogeneous mesoscopic description) and laser-matter interaction (thanks to ray tracing approach). Each tool is verified with analytical models and numerical test cases before they are validated with dedicated experimental campaigns, and with the use of high-resolution X-ray images extracted from literature. By combining these tools, we first show that keyhole results from irradiance concentration by the melt pool which acts like a concave mirror. We simulate three laser-matter interaction modes (“forced conduction”, transition mode and keyhole) and study their stability to assess to what extent there are adapted to SLM process. We finally investigate the denudation phenomenon. Thanks to a study that combines numerical simulation, analytical modelling, and scaling laws, we show that the choice of working atmosphere is of primary importance to limit this deleterious phenomenon. We thus propose a simplified tool, which help choosing this process parameter.Le procédé SLM (Selective Laser Melting) est une technique de fabrication additive qui consiste à fondre sélectivement, à l’aide d’un laser, une succession de couches de poudre en suivant un schéma prédéfini par ordinateur. Ce procédé repose sur plus d’une centaine de paramètres, notamment liés au laser, au matériau ou à l’environnement de travail. Fabriquer des pièces denses et sans défauts dépend donc de phénomènes locaux (géométrie du bain de fusion, gradients thermiques, changements de phase, etc.) et globaux (histoire thermique, géométrie de la pièce, etc.), mais de nombreux résultats peuvent être déduits d’études menées à l’échelle du bain de fusion. L’objectif de cette thèse est justement d’étudier, à l’aide d’un modèle numérique développé avec COMSOL Multiphysics®, comment des phénomènes locaux conditionnent les modes d’interaction laser-matière et la stabilité hydrodynamique des bains de fusion en régime de SLM. Trois « briques » de simulation sont développées : l’hydrodynamique du bain de fusion et de la vapeur métallique, le lit de poudre (suivant une approche continue-équivalente) et l’interaction laser-matière (via la méthode ray tracing). Chaque brique est vérifiée à l’aide de modèles analytiques et de cas tests numériques, puis validée grâce à des campagnes expérimentales dédiées et des radiographies X de haute résolution extraites de la littérature. De cette manière, on montre que le keyhole est le résultat d’une concentration de l’irradiance absorbée par le bain de fusion, à la manière d’un miroir concave. Nous modélisons également trois modes d’interaction (« conduction forcée », intermédiaire, keyhole), étudions leur stabilité, et formulons des recommandations sur les régimes adaptés au procédé SLM. On analyse enfin le phénomène de dénudation. Enfin, à l’aide d’une étude associant simulation numérique, modélisation analytique et loi d’échelle, on montre que la nature de l’atmosphère de travail détermine au premier ordre l’intensité de ce phénomène, et on propose un outil qui aide à faire un choix raisonné du gaz de travail

Simulation of Physical Phenomena Involved in Selective Laser Melting

Le procédé SLM (Selective Laser Melting) est une technique de fabrication additive qui consiste à fondre sélectivement, à l’aide d’un laser, une succession de couches de poudre en suivant un schéma prédéfini par ordinateur. Ce procédé repose sur plus d’une centaine de paramètres, notamment liés au laser, au matériau ou à l’environnement de travail. Fabriquer des pièces denses et sans défauts dépend donc de phénomènes locaux (géométrie du bain de fusion, gradients thermiques, changements de phase, etc.) et globaux (histoire thermique, géométrie de la pièce, etc.), mais de nombreux résultats peuvent être déduits d’études menées à l’échelle du bain de fusion. L’objectif de cette thèse est justement d’étudier, à l’aide d’un modèle numérique développé avec COMSOL Multiphysics®, comment des phénomènes locaux conditionnent les modes d’interaction laser-matière et la stabilité hydrodynamique des bains de fusion en régime de SLM. Trois « briques » de simulation sont développées : l’hydrodynamique du bain de fusion et de la vapeur métallique, le lit de poudre (suivant une approche continue-équivalente) et l’interaction laser-matière (via la méthode ray tracing). Chaque brique est vérifiée à l’aide de modèles analytiques et de cas tests numériques, puis validée grâce à des campagnes expérimentales dédiées et des radiographies X de haute résolution extraites de la littérature. De cette manière, on montre que le keyhole est le résultat d’une concentration de l’irradiance absorbée par le bain de fusion, à la manière d’un miroir concave. Nous modélisons également trois modes d’interaction (« conduction forcée », intermédiaire, keyhole), étudions leur stabilité, et formulons des recommandations sur les régimes adaptés au procédé SLM. On analyse enfin le phénomène de dénudation. Enfin, à l’aide d’une étude associant simulation numérique, modélisation analytique et loi d’échelle, on montre que la nature de l’atmosphère de travail détermine au premier ordre l’intensité de ce phénomène, et on propose un outil qui aide à faire un choix raisonné du gaz de travail.Selective Laser melting (SLM) is an additive manufacturing process where successive powder layers are fused by a laser beam, following a computer-programmed pattern. Manufacturing suitable components (fully dense without a defect) relies on more than a hundred parameters (laser, material, working atmosphere, etc.) and is determined by both local and global phenomena (melt pool geometry, thermal gradient, phase change, thermal history, part geometry, etc.). However, a lot of practical results can be deduced from investigations at melt pool scale. The objective of the present thesis is precisely to investigate how local physical phenomena influence laser-matter interaction and melt pool hydrodynamics and stability in SLM regime. Three simulation tools are developed, regarding melt pool and vapour plus hydrodynamics, powder bed (with homogeneous mesoscopic description) and laser-matter interaction (thanks to ray tracing approach). Each tool is verified with analytical models and numerical test cases before they are validated with dedicated experimental campaigns, and with the use of high-resolution X-ray images extracted from literature. By combining these tools, we first show that keyhole results from irradiance concentration by the melt pool which acts like a concave mirror. We simulate three laser-matter interaction modes (“forced conduction”, transition mode and keyhole) and study their stability to assess to what extent there are adapted to SLM process. We finally investigate the denudation phenomenon. Thanks to a study that combines numerical simulation, analytical modelling, and scaling laws, we show that the choice of working atmosphere is of primary importance to limit this deleterious phenomenon. We thus propose a simplified tool, which help choosing this process parameter

Compréhension et simulation des phénomènes physiques affectant la fabrication additive en SLM

Selective Laser melting (SLM) is an additive manufacturing process where successive powder layers are fused by a laser beam, following a computer-programmed pattern. Manufacturing suitable components (fully dense without a defect) relies on more than a hundred parameters (laser, material, working atmosphere, etc.) and is determined by both local and global phenomena (melt pool geometry, thermal gradient, phase change, thermal history, part geometry, etc.). However, a lot of practical results can be deduced from investigations at melt pool scale. The objective of the present thesis is precisely to investigate how local physical phenomena influence laser-matter interaction and melt pool hydrodynamics and stability in SLM regime. Three simulation tools are developed, regarding melt pool and vapour plus hydrodynamics, powder bed (with homogeneous mesoscopic description) and laser-matter interaction (thanks to ray tracing approach). Each tool is verified with analytical models and numerical test cases before they are validated with dedicated experimental campaigns, and with the use of high-resolution X-ray images extracted from literature. By combining these tools, we first show that keyhole results from irradiance concentration by the melt pool which acts like a concave mirror. We simulate three laser-matter interaction modes (“forced conduction”, transition mode and keyhole) and study their stability to assess to what extent there are adapted to SLM process. We finally investigate the denudation phenomenon. Thanks to a study that combines numerical simulation, analytical modelling, and scaling laws, we show that the choice of working atmosphere is of primary importance to limit this deleterious phenomenon. We thus propose a simplified tool, which help choosing this process parameter.Le procédé SLM (Selective Laser Melting) est une technique de fabrication additive qui consiste à fondre sélectivement, à l’aide d’un laser, une succession de couches de poudre en suivant un schéma prédéfini par ordinateur. Ce procédé repose sur plus d’une centaine de paramètres, notamment liés au laser, au matériau ou à l’environnement de travail. Fabriquer des pièces denses et sans défauts dépend donc de phénomènes locaux (géométrie du bain de fusion, gradients thermiques, changements de phase, etc.) et globaux (histoire thermique, géométrie de la pièce, etc.), mais de nombreux résultats peuvent être déduits d’études menées à l’échelle du bain de fusion. L’objectif de cette thèse est justement d’étudier, à l’aide d’un modèle numérique développé avec COMSOL Multiphysics®, comment des phénomènes locaux conditionnent les modes d’interaction laser-matière et la stabilité hydrodynamique des bains de fusion en régime de SLM. Trois « briques » de simulation sont développées : l’hydrodynamique du bain de fusion et de la vapeur métallique, le lit de poudre (suivant une approche continue-équivalente) et l’interaction laser-matière (via la méthode ray tracing). Chaque brique est vérifiée à l’aide de modèles analytiques et de cas tests numériques, puis validée grâce à des campagnes expérimentales dédiées et des radiographies X de haute résolution extraites de la littérature. De cette manière, on montre que le keyhole est le résultat d’une concentration de l’irradiance absorbée par le bain de fusion, à la manière d’un miroir concave. Nous modélisons également trois modes d’interaction (« conduction forcée », intermédiaire, keyhole), étudions leur stabilité, et formulons des recommandations sur les régimes adaptés au procédé SLM. On analyse enfin le phénomène de dénudation. Enfin, à l’aide d’une étude associant simulation numérique, modélisation analytique et loi d’échelle, on montre que la nature de l’atmosphère de travail détermine au premier ordre l’intensité de ce phénomène, et on propose un outil qui aide à faire un choix raisonné du gaz de travail

Compréhension et simulation des phénomènes physiques affectant la fabrication additive en SLM

Selective Laser melting (SLM) is an additive manufacturing process where successive powder layers are fused by a laser beam, following a computer-programmed pattern. Manufacturing suitable components (fully dense without a defect) relies on more than a hundred parameters (laser, material, working atmosphere, etc.) and is determined by both local and global phenomena (melt pool geometry, thermal gradient, phase change, thermal history, part geometry, etc.). However, a lot of practical results can be deduced from investigations at melt pool scale. The objective of the present thesis is precisely to investigate how local physical phenomena influence laser-matter interaction and melt pool hydrodynamics and stability in SLM regime. Three simulation tools are developed, regarding melt pool and vapour plus hydrodynamics, powder bed (with homogeneous mesoscopic description) and laser-matter interaction (thanks to ray tracing approach). Each tool is verified with analytical models and numerical test cases before they are validated with dedicated experimental campaigns, and with the use of high-resolution X-ray images extracted from literature. By combining these tools, we first show that keyhole results from irradiance concentration by the melt pool which acts like a concave mirror. We simulate three laser-matter interaction modes (“forced conduction”, transition mode and keyhole) and study their stability to assess to what extent there are adapted to SLM process. We finally investigate the denudation phenomenon. Thanks to a study that combines numerical simulation, analytical modelling, and scaling laws, we show that the choice of working atmosphere is of primary importance to limit this deleterious phenomenon. We thus propose a simplified tool, which help choosing this process parameter.Le procédé SLM (Selective Laser Melting) est une technique de fabrication additive qui consiste à fondre sélectivement, à l’aide d’un laser, une succession de couches de poudre en suivant un schéma prédéfini par ordinateur. Ce procédé repose sur plus d’une centaine de paramètres, notamment liés au laser, au matériau ou à l’environnement de travail. Fabriquer des pièces denses et sans défauts dépend donc de phénomènes locaux (géométrie du bain de fusion, gradients thermiques, changements de phase, etc.) et globaux (histoire thermique, géométrie de la pièce, etc.), mais de nombreux résultats peuvent être déduits d’études menées à l’échelle du bain de fusion. L’objectif de cette thèse est justement d’étudier, à l’aide d’un modèle numérique développé avec COMSOL Multiphysics®, comment des phénomènes locaux conditionnent les modes d’interaction laser-matière et la stabilité hydrodynamique des bains de fusion en régime de SLM. Trois « briques » de simulation sont développées : l’hydrodynamique du bain de fusion et de la vapeur métallique, le lit de poudre (suivant une approche continue-équivalente) et l’interaction laser-matière (via la méthode ray tracing). Chaque brique est vérifiée à l’aide de modèles analytiques et de cas tests numériques, puis validée grâce à des campagnes expérimentales dédiées et des radiographies X de haute résolution extraites de la littérature. De cette manière, on montre que le keyhole est le résultat d’une concentration de l’irradiance absorbée par le bain de fusion, à la manière d’un miroir concave. Nous modélisons également trois modes d’interaction (« conduction forcée », intermédiaire, keyhole), étudions leur stabilité, et formulons des recommandations sur les régimes adaptés au procédé SLM. On analyse enfin le phénomène de dénudation. Enfin, à l’aide d’une étude associant simulation numérique, modélisation analytique et loi d’échelle, on montre que la nature de l’atmosphère de travail détermine au premier ordre l’intensité de ce phénomène, et on propose un outil qui aide à faire un choix raisonné du gaz de travail

Physical mechanisms of conduction-to-keyhole transition in laser welding and additive manufacturing processes

Thermo-hydrodynamic phenomena which take place during laser welding or additive manufacturing processes as laser powder bed fusion, have been investigated for years, but recent advances in X-ray images and in situ analysis have highlighted new findings that are still under debate. Conduction-to-keyhole transition, and more broadly, keyhole dynamics, are typical cases, where complex coupling between hydrodynamic and optical problems are involved. In this paper, a keyhole and melt pool model is developed with the software COMSOL Multiphysics®, where laser energy deposition is computed self-consistently thanks to a ray tracing algorithm. The model successfully reproduces experimental findings published in the literature and helps to analyze accurately the role played by the beam trapping phenomenon during the conduction-to-keyhole transition, in both spot welding (i.e., stationary laser illumination) and welding configurations (i.e., with scanning speed). In particular, it is shown that depending on the welding speed, multiple reflections might be either a stabilizing or a destabilizing factor. Understanding these mechanisms is thus a prerequisite for controlling the stability of the melt pools during the joining or the additive manufacturing processes

Transient dynamics and stability of keyhole at threshold investigated by finite element modeling

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Numerical simulation of additive manufacturing processes

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