Mengapa Serbuk Berhamburan dalam LPBF: Model Fisika & Wawasan Sinar-X

Oleh Felix Lee | CEO di Forgecise Diterbitkan 25 Juli 2026

Ringkasan Pencarian

Mengapa serbuk logam berhamburan dalam Laser Powder Bed Fusion (LPBF)? Serbuk logam berhamburan karena laser berdaya tinggi menguapkan logam, menyemburkan pancaran uap cepat (>100 m/s). Pancaran ini menarik gas pelindung Argon di sekitarnya, menciptakan daya hisap dan tekanan yang menyeret, mengangkat, atau melontarkan partikel-partikel yang lepas. Tergantung pada di mana partikel-partikel tersebut berada dan gaya apa yang mengenainya, serbuk bergerak dalam empat cara: Mode Recoil, Mode Entrainment, Mode Ketinggian, Dan Mode Pengusiran. Ketika partikel di udara terkena sinar laser, uap yang terdorong ke belakang akan meledakkannya ke bawah ke dalam kolam lelehan cair dengan kecepatan sekitar 10 m/s—suatu peristiwa berbahaya yang dikenal sebagai Menyelam di Salju.

1. Konteks Praktis & Perspektif Penulis

Pada ForgeciseTim kami bekerja setiap hari untuk menghilangkan cacat pada komponen logam yang dicetak. Pembentukan rongga, kurangnya fusi, dan hasil akhir permukaan yang kasar biasanya disebabkan oleh satu faktor utama: percikan bubuk dan pengikisan.

Untuk memperbaiki cipratan, Anda harus melihat peristiwa mikrodetik ($\mu\text{s}$) dan mikrometer ($\mu\text{m}$). Lapisan serbuk adalah sistem fisik yang bergerak cepat di mana aliran fluida, perubahan fasa, dan radiasi termal bertemu.

Analisis ini meneliti sebuah makalah fundamental yang diterbitkan di Manufaktur Aditif (Vol. 35, 101362, 2020) oleh Xuxiao Li, Cang Zhao, Tao Sun, dan Wenda Tan (Universitas Utah & Laboratorium Nasional Argonne), berjudul:

“Mengungkap interaksi sementara antara bubuk dan gas dalam proses fusi laser bubuk melalui pemodelan multi-fisika dan pencitraan sinar-X sinkrotron berkecepatan tinggi.”

Menggabungkan pencitraan sinar-X sinkrotron berkecepatan tinggi dengan Model multi-fisika 2DKarya ini menunjukkan mengapa bubuk logam bergerak, terangkat, terciprat, atau terjun langsung ke dalam kolam lelehan.

2. Metadata Penelitian & Temuan Utama

Berikut adalah data referensi yang tepat untuk penelitian ini:

Atribut	Detail
Judul	Mengungkap interaksi sementara antara serbuk dan gas dalam proses fusi serbuk laser melalui pemodelan multi-fisika dan pencitraan sinar-X sinkrotron berkecepatan tinggi.
Penulis	Xuxiao Li, Cang Zhao, Tao Sun, Wenda Tan
Lembaga	Departemen Teknik Mesin, Universitas Utah; Sumber Foton Tingkat Lanjut, Laboratorium Nasional Argonne
Jurnal / Tahun	Manufaktur Aditif, Volume 35, Artikel 101362 (2020)
Sistem Material	Lapisan Serbuk Ti-6Al-4V di bawah Atmosfer Argon (Ar)
Metode Utama	CFD Terpadu + Pelacakan Antarmuka Level-Set + Pelacakan Partikel Lagrangian + Pencitraan Sinar-X Sinkrotron Berkecepatan Tinggi
Istilah-istilah Kunci	LPBF, Percikan Bubuk, Interaksi Bubuk-Gas, Pancaran Uap, Entrainment Argon, Tekanan Rekoil, Gerakan Menukik Bubuk

Penemuan Utama:

Gaya Gesekan Gas Mendorong GerakanHambatan gas yang disebabkan oleh hisapan Argon—yang didorong oleh semburan uap logam berkecepatan tinggi—menyebabkan pergerakan bubuk, bukan tekanan foton laser langsung.
Empat Mode GerakGerakan bubuk dapat dikategorikan menjadi empat kategori berbeda berdasarkan gaya dominan: Mundur, Keterikatan, Ketinggian, Dan Pengusiran.
Menyelam di SaljuPartikel-partikel yang terbang akibat sinar laser akan menguap di bagian atas, menghasilkan gaya dorong ke bawah yang mendorongnya ke dalam kolam lelehan dengan kecepatan sekitar 10 m/s.

3. Urutan Kejadian: Bagaimana Paparan Laser Menyebabkan Percikan

Anda dapat menelusuri percikan bubuk melalui rantai fisik langkah demi langkah:

[High-Power Laser Hit]
         │
         ▼
[Rapid Local Heating & Melting (Ti-6Al-4V)]
         │
         ▼
[Boiling Point Surpassed]
         │
         ▼
[Vapor Jet Ejection + Recoil Pressure]
         │
         ▼
[Depression Zone / Keyhole Forms]
         │
         ▼
[Pressure Drops & Sucks In Shielding Gas]
         │
         ▼
[Aerodynamic Drag Pulls Loose Powder]
         │
         ▼
[4 Powder Modes: Recoil, Entrainment, Elevation, Expulsion]
         │
         ▼
[Spatter Lands / Powder Dives → Defects Form]

Ketika laser menyinari lapisan serbuk berukuran $20\text{–}60\,\mu\text{m}$, energi yang terlokalisasi dengan cepat menguapkan logam. Uap tersebut melesat ke atas dengan kecepatan ratusan meter per detik. Aliran cepat ini menciptakan zona bertekanan rendah yang menarik gas Argon di sekitarnya. Aliran Argon ke dalam bertindak seperti penyedot debu, menyeret serbuk lepas di dekatnya langsung menuju zona leleh.

4. Perumusan Matematis Lengkap

Li dkk. menciptakan kerangka kerja lengkap yang mencakup substrat padat, bubuk lepas, kolam lelehan cair, gas, dan butiran bergerak individual. Berikut adalah 10 formulasi matematika inti dari model mereka.

4.1 Aliran Massa, Momentum, dan Energi

Model ini menangani logam cair berkecepatan rendah dan gas berkecepatan tinggi dalam satu sistem CFD terpadu.

1. Konservasi Massa (Kontinuitas):

$$\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u}) = 0$$

Di mana $\rho$ adalah densitas fluida dan $\mathbf{u}$ adalah kecepatan.

2. Konservasi Momentum (Navier-Stokes):

$$\frac{\partial (\rho \mathbf{u})}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \mathbf{u} \mathbf{u}) = -\nabla p + \nabla \cdot \boldsymbol{\tau} + \rho \mathbf{g}$$

Di mana $p$ adalah tekanan statis, $\boldsymbol{\tau}$ adalah tegangan kental, dan $\mathbf{g}$ adalah gravitasi.

3. Konservasi Energi:

$$\frac{\partial (\rho E)}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{u} (\rho E + p)) = \nabla \cdot (k \nabla T)$$

Di mana $E$ adalah energi total (energi internal ditambah energi kinetik), $k$ adalah konduktivitas termal, dan $T$ adalah suhu.

4.2 Penghentian Gerak Padat: Gaya Gesek Darcy

Untuk mencegah daerah padat mengalir seperti cairan, tim menambahkan sebuah Gaya hambat Darcy ($\mathbf{F}_D$) pada persamaan momentum:

4. Persamaan Hambatan Darcy:

$$\mathbf{F}_D = -\mu \cdot C(T) \cdot (\mathbf{u} – \mathbf{u}_s)$$

Di mana $\mu$ adalah viskositas dinamis logam cair, $C(T)$ adalah koefisien yang bergantung pada suhu (tinggi pada zat padat, nol pada zat cair), dan $\mathbf{u}_s$ adalah kecepatan padat ($\mathbf{u}_s = \mathbf{v}_p$ di dalam bubuk, $\mathbf{u}_s = 0$ (pada substrat padat).

4.3 Pelacakan Batas: Metode Level-Set

Batas antara logam dan gas berubah setiap mikrodetik.

5. Persamaan Pelacakan Level-Set:

$$\frac{\partial \phi}{\partial t} + \mathbf{u} \cdot \nabla \phi = 0$$

Di mana $\phi$ adalah fungsi jarak ($\phi > 0$ di dalam logam, $\phi < 0$ dalam gas, $\phi = 0$ di perbatasan).

4.4 Gerakan Partikel (Pelacakan Lagrangian)

Setiap butir bubuk lepas dilacak sebagai benda kaku yang dipengaruhi oleh hambatan udara, gravitasi, dan benturan dari butir-butir lainnya.

6. Translasi Partikel:

$$m_p \frac{d\mathbf{v}_p}{dt} = \mathbf{F}_{gas} + m_p \mathbf{g} + \mathbf{F}_c$$

Di mana $m_p$ adalah massa partikel, $\mathbf{v}_p$ adalah kecepatan, $\mathbf{F}_{gas}$ adalah hambatan gas di atas permukaan $S_p$, Dan $\mathbf{F}_c$ adalah gaya kontak akibat benturan.

7. Rotasi Partikel:

$$I_p \frac{d\boldsymbol{\omega}_p}{dt} = \int_{S_p} \mathbf{r} \times d\mathbf{F}_{gas}$$

Di mana $I_p$ adalah momen inersia, $\boldsymbol{\omega}_p$ adalah kecepatan sudut, dan $\mathbf{r}$ adalah jarak dari pusat massa.

8. Pemisahan Gesekan:

$$\mathbf{F}_{gas} = \mathbf{F}_p + \mathbf{F}_\tau = \int_{S_p} (-p \mathbf{n} + \boldsymbol{\tau} \cdot \mathbf{n}) dA$$

Di mana $\mathbf{F}_p$ adalah hambatan tekanan Dan $\mathbf{F}_\tau$ adalah hambatan gesekan di sepanjang kulit partikel.

4.5 Keadaan Gas & Perilaku Aliran

Suhu berkisar dari $298\text{ K}$ hingga di atas $3000\text{ K}$. Mengasumsikan nilai gas konstan akan menghasilkan kesalahan perhitungan yang sangat besar.

9. Persamaan Kepadatan & Viskositas Argon:

$$\rho_g = \frac{p}{R_{Ar} T}$$$$\mu_g = \mu_0 \left(\frac{T}{T_0}\right)^{3/2} \frac{T_0 + S}{T + S}$$

Di mana $R_{Ar}$ adalah konstanta gas untuk Argon, $\mu_0$ adalah viskositas dinamis pada suhu referensi $T_0$, Dan $S$ adalah konstanta Sutherland.

Bilangan Reynolds Partikel ($Re_p$):

$$Re_p = \frac{\rho_g |\mathbf{u}_g – \mathbf{v}_p| d_p}{\mu_g}$$

Nilai TerhitungGas panas di dekat pancaran menurunkan densitas $\rho_g$ dan meningkatkan viskositas $\mu_g$. Ini menghasilkan $Re_p \approx 10$. Ini membuktikan aliran gas di sekitar bubuk tetap berada dalam suatu kondisi tertentu. keadaan batas perantara laminar, bukan turbulensi penuh atau aliran Stokes sederhana.

4.6 Perbandingan Energi Termal

10. Pemanasan Konvektif vs. Daya Laser Langsung

Model ini memeriksa bilangan Nusselt ($Nu$) untuk melihat apakah gas memanaskan bubuk selama penerbangan:$$Nu = 2 + C \cdot Re_p^m \cdot Pr^n \quad \implies \quad h_{conv} = \frac{Nu \cdot k_g}{d_p}$$$$q_{conv} = h_{conv} (T_\infty – T_p) \approx 10^6 \text{ W/m}^2$$

Cahaya laser langsung menghasilkan kepadatan energi yang jauh lebih tinggi: $$q_{laser} \approx 10^9 \text{ W/m}^2$$

TemuanKepadatan energi laser ($10^9\text{ W/m}^2$) adalah 1.000 kali lebih tinggi dibandingkan panas konveksi gas panas ($10^6\text{ W/m}^2$). Konveksi gas panas hampir tidak berperan dalam melelehkan bubuk. Penyerapan cahaya laser mendorong pelelehan dan pendidihan permukaan.

Energi untuk Melelehkan Butiran Bubuk ($Q_{melt}$):

$$Q_{melt} = \frac{1}{6} \pi d_p^3 \rho_s \left[ c_s (T_L – T_0) + \Delta H_f \right]$$

Di mana $\rho_s$ memiliki kepadatan padat, $c_s$ adalah kapasitas panas spesifik, $T_L$ adalah titik likuidus, dan $\Delta H_f$ adalah kalor peleburan. Penyerapan laser langsung melelehkan partikel dalam waktu puluhan mikrodetik.

5. Empat Mode Gerakan Bubuk

Li dkk. membagi gerakan serbuk menjadi empat mode dasar berdasarkan kekuatan lokal:

                            [Laser Beam]
                                 │
                                 ▼
                 ┌───────────────┴───────────────┐
                 │   High-Speed Vapor Jet Core   │
                 └───────────────┬───────────────┘
                                 │
       ┌─────────────────────────┼─────────────────────────┐
       ▼                         ▼                         ▼
[RECOIL MODE]            [EXPULSION MODE]          [ELEVATION MODE]
(Direct Beam)           (Vapor Jet Core)          (Jet Boundary)
• Recoil Pressure       • High Pressure Drag      • Upward Pressure Drag
• Pushes Downward       • High Friction Drag      • Vertical Lift
• Rapid In-Pool Melt    • Fast Oblique Launch     • Low Angle Ejection
       ▲                         ▲                         ▲
       └─────────────────────────┼─────────────────────────┘
                                 │
                         [ENTRAINMENT MODE]
                         (Outer Inflow Area)
                         • Low Pressure Sink
                         • Inward Argon Suction

Tabel Perbandingan Mode Gerak

Mode	Sumber Kekuatan Utama	Pola Aliran Gas	Lintasan & Kecepatan	Efek Kualitas
1. Mode Recoil	Tekanan Rekoil Uap ($p_{recoil}$)	Sinar laser langsung mengenai bagian atas partikel.	Didorong ke bawah ke dalam kolam dalam waktu puluhan $\mu\text{s}$	Pencairan cepat atau gangguan permukaan
2. Mode Entrainment	Gaya Gesekan Tekanan ke Dalam ($\mathbf{F}_p$) + Gesekan ($\mathbf{F}_\tau$)	Pancaran uap menyedot Argon di sekitarnya.	Ditarik secara horizontal menuju laser ($1\text{–}3\text{ m/s}$)	Membersihkan lapisan debu di sekitar lintasan.
3. Mode Elevasi	Gesekan Vertikal + Gradien Tekanan	Lapisan geser luar di tepi pancaran uap	Diangkat vertikal ke atas pada sudut yang curam	Status pengaturan untuk percikan atau penyelaman
4. Mode Pengusiran	Hambatan Tekanan Tinggi + Hambatan Gesekan	Inti dari pancaran uap cepat (>100 m/s)	Tembakan miring dengan kecepatan tinggi (~10 m/detik)	Menciptakan endapan percikan dingin & rongga

Rincian Lengkap untuk Setiap Mode

Mode 1: Mode Recoil

MekanikaTerjadi ketika sinar laser mengenai bubuk lepas secara langsung. Penguapan permukaan atas melontarkan uap ke atas, menghasilkan gaya rekoil reaktif yang kuat ke bawah.
Skala GayaGaya rekoil berkisar dari $10^{-3}\text{ N}$ hingga beberapa Newton, dengan mudah mengatasi hambatan gas ($10^{-5}\text{–}10^{-3}\text{ N}$).
HasilPartikel tersebut terjun ke dalam kolam lelehan dan larut dalam waktu 20–50 μs.

Mode 2: Mode Entrainment

Mekanika: Semburan uap cepat melesat ke atas dan menarik Argon di sekitarnya ke dalam.
Skala GayaGaya hambat gabungan kira-kira sebesar $10^{-5}\text{ N}$.
HasilSerbuk yang bertebaran di sekitar jalur laser akan bergeser ke arah dalam menuju kolam. Hal ini membentuk zona-zona kosong (zona denudasi) di sepanjang jalur yang tercetak.

Mode 3: Mode Elevasi

MekanikaPartikel yang terbawa mencapai tepi pancaran uap di mana gas bergerak lebih cepat di satu sisi daripada sisi lainnya.
Skala GayaGaya hambat ke atas berukuran sekitar $10^{-4}\text{ N}$.
HasilPartikel tersebut terangkat perlahan lurus ke atas ke udara di atas lapisan bubuk.

Mode 4: Mode Pengusiran

MekanikaSebuah partikel memasuki pusat gumpalan uap, menghalangi gas yang bergerak cepat. Tekanan meningkat di permukaan depan sementara tekanan rendah terbentuk di belakangnya. Gesekan permukaan mempercepat pergerakan butiran lebih lanjut.
Skala GayaGaya hambat total mencapai $10^{-3}\text{ N}$.
HasilPartikel tersebut melesat dengan kecepatan tinggi (sekitar 10 m/s) melintasi jarak yang jauh, dan mendarat di atas bubuk dingin sebagai percikan.

6. Urutan Multi-Mode dan Penyelaman Salju Bubuk

Butiran bubuk berganti mode selama penerbangan.

Jalur 1: Urutan Percikan Standar

$$\text{Mode Entrainment (Geser Horizontal)} \longrightarrow \text{Mode Elevasi (Angkat Vertikal)} \longrightarrow \text{Mode Ekspulsi (Peluncuran Cepat)}$$

Jalur 2: Urutan Menyelam di Salju Bubuk

$$\text{Mode Entrainment} \longrightarrow \text{Mode Elevasi} \longrightarrow \text{Serangan Cahaya Laser} \longrightarrow \text{Ledakan Rekoil Uap} \longrightarrow \text{Penyelaman Kecepatan Tinggi}$$

   [Laser Beam] ──┐
                  │ (Direct or Reflected Light)
                  ▼
         ● Floating Powder Grain (Elevated)
         │
         ├── Top Surface Evaporates Instantly
         │
         ▼ [Massive Downward Recoil Force]
         │
         │  (Velocity ~10 m/s Downward)
         ▼
~~~~~~~~~🌊~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   [Melt Pool Surface Waves & Turbulence]
~~~~~~~~~🌊~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Mekanika Selam Salju:

Partikel yang terbawa akan masuk ke dalam berkas laser atau menangkap cahaya kuat yang dipantulkan dari dinding lubang kunci.
Permukaan atas menyerap radiasi ($q_{laser} \approx 10^9\text{ W/m}^2$) dan mendidih seketika.
Penguapan cepat di bagian atas mendorong uap ke atas, menghantam partikel ke bawah.
Arah serat berubah dan melaju ke dalam kolam lelehan dengan kecepatan mendekati $\sim 10\text{ m/s}$.
Dampak Kualitas: Menghantam kolam dengan kecepatan $10\text{ m/s}$ menimbulkan gelombang permukaan, mengganggu keseimbangan lubang kunci, dan menjebak inklusi yang tidak meleleh dan dilapisi oksida jauh di dalam logam padat.

7. Perbandingan Skala Gaya

Berikut adalah peringkat gaya yang bekerja pada butiran bubuk yang bergerak dalam LPBF:

Force Magnitude (Log Scale)
  ▲
  │  10^0 N  ├─────────────────────────────── Peak Recoil Force (Direct Laser Hit)
  │          │
  │  10^-3 N ├─────────────────────────────── Expulsion Drag Force (Vapor Core)
  │          │
  │  10^-4 N ├─────────────────────────────── Elevation Drag Force (Jet Boundary)
  │          │
  │  10^-5 N ├─────────────────────────────── Entrainment Drag Force (Argon Inflow)
  │          │
  │  10^-7 N ├─────────────────────────────── Particle Gravity (mp * g) [Negligible]
  └──┴───────┴───────────────────────────────► Physical States

Table of Contents

Ringkasan Pencarian