解決金屬3D打印缺陷的研究——多尺度多物理場(chǎng)數(shù)值模擬，新加坡國(guó)立大學(xué)閆文韜團(tuán)隊(duì)

南極熊備注：本文為新加坡國(guó)立大學(xué)閆文韜團(tuán)隊(duì)向南極熊投稿（3d@nanjixiong.com）。他們研究了金屬3D打印的缺陷以及解決辦法

增材制造的多尺度多物理場(chǎng)數(shù)值模擬

△新加坡國(guó)立大學(xué)閆文韜團(tuán)隊(duì)

作者：王露，陳輝
增材制造（Additive Manufacture, AM）作為一種新興的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)引起了越來越多行業(yè)的關(guān)注。例如航空航天、軍工和醫(yī)療等領(lǐng)域關(guān)鍵復(fù)雜零部件的加工制造。然而，要實(shí)現(xiàn)這些高精度、復(fù)雜零件的工業(yè)化生產(chǎn)，必須提高增材制造的成形質(zhì)量和可重復(fù)性，克服零件孔洞，表面光潔度，不理想的微觀組織結(jié)構(gòu)和零件殘余應(yīng)力等制造缺陷。以上缺陷的控制不僅涉及宏觀的力學(xué)性能研究，同時(shí)需要對(duì)微尺度的形貌加以分析，因此極大地增加了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難度和實(shí)驗(yàn)成本。

為克服實(shí)驗(yàn)研究的難點(diǎn)，新加坡國(guó)立大學(xué)閆文韜及其合作者構(gòu)建了多尺度多物理場(chǎng)模型，對(duì)增材制造全過程進(jìn)行仿真模擬，加深了對(duì)其物理機(jī)理的理解，為工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化提供了相應(yīng)的理論指導(dǎo)。

1. 基于蒙特卡洛方法模擬得到電子束熱源模型：

電子束的能量傳遞是電子束的電子與材料的原子發(fā)生碰撞，將電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為原子振動(dòng)能量的過程。傳統(tǒng)的電子束熱源模型大多基于熔池形貌的觀測(cè)而獲得，模型誤差較大，且物理意義不清晰。2015年，閆文韜(第一作者)與Wing Kam Liu(通訊作者)在Computational Mechanics發(fā)表的論文提出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)熱源模型的新熱源模型，即通過蒙特卡羅（Monte Carlo）方法獲得電子原子碰撞的能量分布，如圖1所示。

圖1. 電子束與金屬相互作用機(jī)理及新熱源模型

該熱源模型獲得了加拿大麥吉爾大學(xué)P.R. Carriere研究團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外，采用該熱源模型，可以更深入地解釋電子束或離子束表面沖擊強(qiáng)化過程中的“火山坑”現(xiàn)象。

2. 電子束選區(qū)熔化的多尺度模型

在電子束熱源模型的基礎(chǔ)上，2016年，閆文韜(第一作者)與林峰，Wing Kam Liu (通訊作者)在Acta Materialia發(fā)表論文提出了電子束選區(qū)熔化的多尺度模型（圖2）。微觀尺度上，采用蒙特卡羅方法分析了電子原子相互碰撞作用下的能量分布特征；介觀尺度上，分析了金屬粉末受熱、熔化、流動(dòng)、凝固過程的物理機(jī)制；最后在宏觀尺度上，利用有限元方法實(shí)現(xiàn)整體零件增材制造過程的熱力學(xué)仿真。

圖2. 多尺度電子束選區(qū)熔化模擬流程

3.增材制造全過程模擬

電子束選區(qū)熔化涉及金屬粉末熔化，流動(dòng)，凝固等復(fù)雜的物理過程。其物理尺度小，缺陷機(jī)理難以給出準(zhǔn)確的物理解釋，一直是增材制造研究的難點(diǎn)。2017年，閆文韜(第一作者)與林峰(通訊作者)在Engineering上的研究實(shí)現(xiàn)了電子束選區(qū)熔化三大主要工藝過程的仿真模擬：
1.粉末鋪設(shè)；
2. 粉末預(yù)熱與輕度燒結(jié)；
3. 粉床的選區(qū)熔化（圖3）。
通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，該數(shù)值模型能對(duì)粉末鋪設(shè)過程、粉末燒結(jié)中的顆粒頸縮以及和熔化道中的孔隙缺陷等現(xiàn)象進(jìn)行定量描述。全過程的數(shù)值模擬能有效還原真實(shí)的制造過程，有助于熔化道的質(zhì)量分析，進(jìn)而指導(dǎo)制造過程的參數(shù)優(yōu)化和工藝設(shè)計(jì)。

圖3. 電子束選區(qū)熔化過程實(shí)驗(yàn)和仿真模型。

模擬流程主要包括：

• 利用離散單元模型（Discrete Element Method，DEM）求解鋪粉后的粉床幾何形貌；
• 將粉床形貌作為熱力學(xué)和流體力學(xué)分析的幾何輸入，采用相場(chǎng)法（Phase Field，PF）、有限體積方法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）分別進(jìn)行介觀尺度下金屬粉末燒結(jié)過程和熔化過程的模擬。
• 其中，自由表面的形貌采用體積分?jǐn)?shù)法（VOF）處理。
  

部分模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4. 單熔化道實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果。(a), (c)球化現(xiàn)象；(b), (d) 非均勻熔化道

在2017年，閆文韜(第一作者)與林峰，Gregory J. Wagner(通訊作者)在Acta Materialia和Materials & design發(fā)表的研究對(duì)電子束選區(qū)熔化的熱力學(xué)過程進(jìn)行了模擬。針對(duì)鋪粉式電子束選區(qū)熔化過程，分別對(duì)單/多熔化道，單層和多層不同掃描方案展開熱力學(xué)模擬，充分討論了熱源參數(shù)、掃描方案、鋪粉狀態(tài)等控制參數(shù)對(duì)球化、表面形貌、孔洞缺陷、馬拉高尼（Marangoni）現(xiàn)象以及材料結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律（圖5），結(jié)合不同參數(shù)的模擬計(jì)算，討論了熔化道質(zhì)量的提升方案。

圖5. 多層、多道電子束選區(qū)熔化過程中孔洞的形成

近期，閆文韜與美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和密蘇里大學(xué)合作，在Nature Communications發(fā)表學(xué)術(shù)論文，利用高速X射線成像技術(shù)直接觀察了激光選區(qū)熔化過程中氣泡的運(yùn)動(dòng)，其中閆文韜開發(fā)的熔化模型很好的重現(xiàn)了激光選區(qū)熔化過程中的keyhole現(xiàn)象。
  
圖6. Keyhole現(xiàn)象的高物理保真仿真模擬與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室高速X光下的直接實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的成形-結(jié)構(gòu)-性能一體化模擬

為解決實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇與優(yōu)化復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)過程繁瑣、生產(chǎn)零件性能難以控制等問題，2018年，閆文韜(第一作者)與Wing Kim Liu (通訊作者)在Computational Mechanics和Frontiers of Mechanical Engineering提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多尺度、多物理場(chǎng)過程結(jié)構(gòu)一體化模擬的增材制造框架。將制造過程中的數(shù)據(jù)與模擬的數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫之間的協(xié)同工作，以數(shù)據(jù)挖掘的方式，將模擬計(jì)算結(jié)果反饋給制造數(shù)據(jù)，對(duì)制造參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)增材制造在線監(jiān)測(cè)的閉環(huán)控制。同年，閆文韜(第一作者)與Gregory J. Wagner(通訊作者)在Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering發(fā)表的論文，對(duì)一體化模擬系統(tǒng)做出了詳細(xì)的討論（圖7）。其數(shù)值模擬部分主要由三個(gè)模塊相互耦合構(gòu)成：
1. 鋪粉仿真+熱/流體力學(xué)數(shù)值模型計(jì)算，得出AM過程中熔池的溫度場(chǎng)演變、多層多道熔化道演變、孔洞結(jié)構(gòu)的形成等過程；
2. 提取1中計(jì)算的溫度場(chǎng)分布、熔化道形貌、孔洞分布等狀態(tài)數(shù)據(jù)，作為枝晶生長(zhǎng)的元胞自動(dòng)機(jī)模型的輸入?yún)��?shù)，預(yù)報(bào)構(gòu)件的晶粒結(jié)構(gòu)；
3. 將2中的結(jié)果作為材料的物性參數(shù)，預(yù)報(bào)構(gòu)件的力學(xué)性能，疲勞壽命等宏觀特征。

圖7. 成形-結(jié)構(gòu)-性能一體化模擬框架的概念分布圖

成形-結(jié)構(gòu)-性能一體化數(shù)值模擬不僅能用于材料晶粒、體積缺陷分布等信息的預(yù)測(cè)，還能用于粉末顆粒熔化和熔池流動(dòng)的過程預(yù)測(cè)，從而促進(jìn)對(duì)增材制造機(jī)理的理解。此外，結(jié)合過程監(jiān)控系統(tǒng)的閉環(huán)控制，能確保制造過程和制造質(zhì)量的穩(wěn)定性。

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閆文韜：
新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授。2012年獲得清華大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2017年獲得美國(guó)西北大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士學(xué)位，2018年在西北大學(xué)機(jī)械工程系完成博士后研究，并加入新加坡國(guó)立大學(xué)機(jī)械系。目前從事金屬增材制造（如電子束選區(qū)熔化，激光選區(qū)熔化）中的數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析等研究工作。