在3D打印進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用后，通常提供交鑰匙的解決方案，用戶(hù)通常不需要自主再進(jìn)行開(kāi)發(fā)，直接根據(jù)使用必要步驟操作即可完成零件制造。但對(duì)于廠商研發(fā)或者學(xué)術(shù)研究，工藝參數(shù)的確定仍然是重要的環(huán)節(jié)，通常也有很多采用仿真確定工藝參數(shù)的方法，但多是通過(guò)宏觀性能的對(duì)比。3D打印技術(shù)參考注意到，F(xiàn)raunhofer的研究人員于2023年公布首次在微觀結(jié)構(gòu)層面模擬該金屬3D打印的過(guò)程，確定工件特性與所選工藝參數(shù)之間的直接相關(guān)性。

激光粉末床熔融，通過(guò)激光與金屬粉末的相互作用，實(shí)現(xiàn)顆粒熔化與凝固，實(shí)現(xiàn)厚度約50μm的粉末床成形。在激光束不與粉末接觸的區(qū)域，不會(huì)發(fā)生熔化。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，逐漸完成零件制造。

激光熔池中柱狀微結(jié)構(gòu)形成的模擬

該工藝?yán)碚撋峡梢詫?shí)現(xiàn)100%的致密度，材料的層與層之間實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，沒(méi)有孔隙。這是通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如激光掃描速度和功率。金屬晶粒的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于工件的機(jī)械性能尤為重要。它們具有特定的方向、尺寸和形狀，并且對(duì)機(jī)械性能有相當(dāng)大的影響，如材料的彈性模量或屈服應(yīng)力——即材料發(fā)生塑性變形的載荷。

如何控制過(guò)程，使最終的微觀結(jié)構(gòu)滿足組件的使用條件，一直是工程界探索的難題，而尋找最佳工藝參數(shù)一直是一項(xiàng)非常耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)性工作。

用于LPBF工藝的從粉末到機(jī)械性能的仿真鏈

弗勞恩霍夫材料力學(xué)研究所IWM的研究人員現(xiàn)在正在采取不同的方法。由于新材料和新要求導(dǎo)致激光粉末床熔融工藝變得越來(lái)越復(fù)雜，該研究所的團(tuán)隊(duì)決定模擬整個(gè)工藝鏈，這不僅能夠最大限度的減少試錯(cuò)周期，而且能夠快速有效的評(píng)估整個(gè)過(guò)程中的變化，并消除制造過(guò)程中的不良影響。

較為關(guān)鍵的是，研究人員結(jié)合了不同的模擬方法——離散元模擬。首先模擬單個(gè)粉末顆粒如何借助工具在構(gòu)建室中鋪放，接下來(lái)使用平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法模擬粉末粒子熔化的方式——計(jì)算激光相互作用和熱傳導(dǎo)，以及導(dǎo)致熔體流動(dòng)的表面張力。該計(jì)算還考慮了重力和材料蒸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的反沖壓力。

LPBF過(guò)程的光線追蹤模擬

模擬還必須描述材料的微觀結(jié)構(gòu)，以便預(yù)測(cè)材料的機(jī)械性能。為了分析這種微觀結(jié)構(gòu)，研究人員采用了另一種模擬模型，稱(chēng)為元胞自動(dòng)機(jī)（它是一種時(shí)間、空間、狀態(tài)都離散，空間相互作用和時(shí)間因果關(guān)系為局部的網(wǎng)格動(dòng)力學(xué)模型，具有模擬復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)空演化過(guò)程的能力），基于此能夠描述金屬晶粒如何作為溫度梯度的函數(shù)生長(zhǎng)。因?yàn)榧す馀c粉末相互作用的溫度最高可達(dá)3000℃，但只有幾毫米遠(yuǎn)的位置材料溫度較低。此外，激光以高達(dá)每秒幾米的速度在粉末床上移動(dòng)，材料升溫非?？欤S后也會(huì)在幾毫秒內(nèi)再次冷卻下來(lái)。所有這些都會(huì)影響微觀結(jié)構(gòu)的形成方式。

LPBF工藝模擬無(wú)熔合缺陷和殘余孔隙率

用顏色編碼的溫度場(chǎng)模擬LPBF過(guò)程

實(shí)驗(yàn)，只能對(duì)最終結(jié)果進(jìn)行研究；而模擬，則可以實(shí)時(shí)觀察發(fā)生的情況。換句話說(shuō)，研究人員創(chuàng)建了一種過(guò)程-結(jié)構(gòu)-性能的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)：例如，如果增加激光功率，微觀結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而會(huì)顯著影響材料的性能。領(lǐng)導(dǎo)該研究的Claas Bierwisch 博士表示，“這與實(shí)際情況完全不同，你可以用一種近乎調(diào)查的方式來(lái)檢測(cè)相互關(guān)系?！?/p>

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