使用粒子方法對(duì)金屬增材制造工藝進(jìn)行建模和仿真

來(lái)源：增材在線

數(shù)值模擬在增材制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，促進(jìn)了對(duì)無(wú)網(wǎng)格、基于粒子的離散技術(shù)的有效性和潛在應(yīng)用的研究。這些方法擅長(zhǎng)處理流體流動(dòng)，并且是商業(yè)模擬軟件中通常使用的基于網(wǎng)格的技術(shù)的可行替代方案。

2023年11月8日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Mohamadreza Afrasiabi和Markus Bambach在《Virtual and Physical Prototyping》（中科院1區(qū)，Top，影響因子10.6）期刊發(fā)表最新綜述文章，回顧了使用粒子方法開(kāi)發(fā)金屬增材制造（MAM）工藝計(jì)算模型的最新進(jìn)展，對(duì)粉末（或熔池）尺度控制此類工藝的基本機(jī)制的理論理解，以及可預(yù)測(cè)性基于物理的建模方法。

作者探討了基于粒子的方法在模擬粉末床熔融、定向能量沉積和粘合劑噴射過(guò)程中的適用性和性能。由于MAM的進(jìn)步依賴于系統(tǒng)的材料過(guò)程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而這些實(shí)現(xiàn)通常無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)感知或觀察，因此開(kāi)發(fā)高效的基于粒子的多尺度模擬工具對(duì)于通過(guò)原位過(guò)程控制和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要。

圖1. 不同尺度的MAM過(guò)程建模研究（上圖）以及粉末尺度下熔池區(qū)域內(nèi)及其周圍發(fā)生的基本物理現(xiàn)象（下圖）。

圖2. MAM中的離散粉末模型：(A) DEM的球形粉末模型。(B)以多球體和超橢球體為代表的非球形粉末模型。

圖3. 在多層電子束熔化過(guò)程中粉末填充和熔池模擬的耦合DEM-CFD建模框架。

前景展望

流程建模、控制和優(yōu)化�；�于無(wú)網(wǎng)格粒子的模擬方法提供了一種可行的替代方案來(lái)創(chuàng)建增材制造過(guò)程的高保真度模型，該模型在解決復(fù)雜的微流體、熱流體力學(xué)和粉末冶金問(wèn)題方面可能比現(xiàn)有的CFD技術(shù)更有效。這最終將通過(guò)深入了解材料沉積、熔化、（再）凝固和微觀結(jié)構(gòu)演化來(lái)實(shí)現(xiàn)在線過(guò)程控制。它還可以優(yōu)化工藝參數(shù)、掃描策略以及殘余應(yīng)力、變形和故障發(fā)生的預(yù)測(cè)。

可靠的制造質(zhì)量預(yù)測(cè)工具。無(wú)網(wǎng)格過(guò)程模擬需要進(jìn)一步增強(qiáng)，才能被視為評(píng)估制造缺陷和零件質(zhì)量的“可靠預(yù)測(cè)工具”。它們將協(xié)助識(shí)別潛在問(wèn)題，例如成球、裂紋和未熔合孔隙。反過(guò)來(lái)，這會(huì)導(dǎo)致增材制造流程更加高效、更具成本效益，同時(shí)減少迭代次數(shù)并提高最終零件的質(zhì)量。

數(shù)字孿生的基礎(chǔ)�；�于物理的MAM機(jī)械模型是建立數(shù)字孿生技術(shù)的重要組成部分，數(shù)字孿生技術(shù)是工業(yè)4.0時(shí)代現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵要素。詳細(xì)過(guò)程模擬、數(shù)據(jù)分析（通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)）和原位傳感的無(wú)縫集成對(duì)于實(shí)現(xiàn)MAM過(guò)程的代表性數(shù)字孿生至關(guān)重要，從而促進(jìn)實(shí)時(shí)過(guò)程監(jiān)控。

關(guān)鍵結(jié)論

在過(guò)去4-5年里，粒子方法在解決MAM問(wèn)題中固有的復(fù)雜物理和材料變換方面的普及度顯著飆升。與這一趨勢(shì)相一致，該綜述回顧了粉末過(guò)程建模和模擬的最新進(jìn)展，并系統(tǒng)地討論了它們的功能和局限性。

大多數(shù)現(xiàn)有模型都是針對(duì)基于熔融的工藝（即PBF和DED）定制的，涉及粉末沉積和激光-材料相互作用。這種偏好源于這兩個(gè)過(guò)程在建模方面的基本相似性，以及與BJ等其他MAM技術(shù)相比的流行程度。在此背景下，PBF模擬發(fā)表的論文數(shù)量和質(zhì)量超過(guò)了DED。DEM-SPH組合成為模擬整個(gè)過(guò)程的最有效的建模方法：粉末沉積、激光熔化、流體流動(dòng)和凝固。然而，當(dāng)前的模擬能力僅限于單層金屬粉末內(nèi)幾毫米的掃描矢量，使用1μm的（空間）離散分辨率。在此分辨率下的完整DEM-SPH過(guò)程模擬將包含超過(guò)2500萬(wàn)個(gè)離散化粒子，大約需要4-5天才能完成，因此需要利用并行計(jì)算技術(shù)。

盡管開(kāi)發(fā)的模型具有令人印象深刻的能力，特別是在預(yù)測(cè)熔池行為方面，但仍有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題尚未解決。一些基本現(xiàn)象，例如熔融金屬的汽化和流固相互作用的解決，必須納入物理模型中。此外，使用光線追蹤等方法進(jìn)行更準(zhǔn)確的熱源建模（這是表示小孔形成的基礎(chǔ)），將提高準(zhǔn)確性并提供重要價(jià)值。另一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)源于模擬所需的大量計(jì)算資源，需要在GPU和CPU集群上進(jìn)行大規(guī)模并行化。如果沒(méi)有這種并行化，多軌多層MAM模擬實(shí)際上是不可能的。此外，基于粒子、基于物理的MAM過(guò)程模型與快速機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的集成提供了令人興奮的機(jī)會(huì)，可以轉(zhuǎn)移當(dāng)前模型開(kāi)發(fā)活動(dòng)的重點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的計(jì)算效率和節(jié)省。從材料工藝的角度來(lái)看，原位合金化和多材料應(yīng)用的集成對(duì)于擴(kuò)展MAM的功能具有巨大的潛力，可以利用仿真反饋來(lái)制造具有定制材料特性的功能組件。簡(jiǎn)而言之，在MAM中開(kāi)發(fā)基于無(wú)網(wǎng)格粒子的方法的前景可以概述為：

• 用于評(píng)估制造缺陷，特別是未熔合孔隙率。
• 有可能嵌入預(yù)測(cè)模型控制和現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)。
• 進(jìn)一步探索大型模擬的運(yùn)行時(shí)加速。
  

雖然當(dāng)前的計(jì)算模型表現(xiàn)出卓越的功能，但它們也揭示了各種未解決的缺點(diǎn)和重大挑戰(zhàn)。因此，該文鼓勵(lì)MAM領(lǐng)域的研究人員和開(kāi)發(fā)人員探索粒子方法的潛力，并進(jìn)行跨學(xué)科合作，以最大限度地在這個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域取得進(jìn)展。特別令人感興趣和重要的是，將粒子方法重鑄為多尺度MAM過(guò)程的ML輔助替代模型的可行性，這很可能在不久的將來(lái)成為數(shù)字孿生、原位過(guò)程控制、優(yōu)化和設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。

論文引用：Afrasiabi M, Bambach M. Modelling and simulation of metal additive manufacturing processes with particle methods: A review[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2023, 18(1): e2274494.

https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2274494