使用粒子方法對金屬增材制造工藝進行建模和仿真

來源：增材在線

數(shù)值模擬在增材制造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，促進了對無網(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。這些方法擅長處理流體流動，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發(fā)金屬增材制造（MAM）工藝計算模型的最新進展，對粉末（或熔池）尺度控制此類工藝的基本機制的理論理解，以及可預(yù)測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程中的適用性和性能。由于MAM的進步依賴于系統(tǒng)的材料過程結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，而這些實現(xiàn)通常無法通過實驗來感知或觀察，因此開發(fā)高效的基于粒子的多尺度模擬工具對于通過原位過程控制和優(yōu)化實現(xiàn)這一目標(biāo)至關(guān)重要。

圖1. 不同尺度的MAM過程建模研究（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程中粉末填充和熔池模擬的耦合DEM-CFD建�？蚣�。

前景展望

流程建模、控制和優(yōu)化�；�于無網(wǎng)格粒子的模擬方法提供了一種可行的替代方案來創(chuàng)建增材制造過程的高保真度模型，該模型在解決復(fù)雜的微流體、熱流體力學(xué)和粉末冶金問題方面可能比現(xiàn)有的CFD技術(shù)更有效。這最終將通過深入了解材料沉積、熔化、（再）凝固和微觀結(jié)構(gòu)演化來實現(xiàn)在線過程控制。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。

可靠的制造質(zhì)量預(yù)測工具。無網(wǎng)格過程模擬需要進一步增強，才能被視為評估制造缺陷和零件質(zhì)量的“可靠預(yù)測工具”。它們將協(xié)助識別潛在問題，例如成球、裂紋和未熔合孔隙。反過來，這會導(dǎo)致增材制造流程更加高效、更具成本效益，同時減少迭代次數(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時代現(xiàn)代制造業(yè)的關(guān)鍵要素。詳細(xì)過程模擬、數(shù)據(jù)分析（通過機器學(xué)習(xí)）和原位傳感的無縫集成對于實現(xiàn)MAM過程的代表性數(shù)字孿生至關(guān)重要，從而促進實時過程監(jiān)控。

關(guān)鍵結(jié)論

在過去4-5年里，粒子方法在解決MAM問題中固有的復(fù)雜物理和材料變換方面的普及度顯著飆升。與這一趨勢相一致，該綜述回顧了粉末過程建模和模擬的最新進展，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過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)量超過了DED。DEM-SPH組合成為模擬整個過程的最有效的建模方法：粉末沉積、激光熔化、流體流動和凝固。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過程模擬將包含超過2500萬個離散化粒子，大約需要4-5天才能完成，因此需要利用并行計算技術(shù)。

盡管開發(fā)的模型具有令人印象深刻的能力，特別是在預(yù)測熔池行為方面，但仍有幾個關(guān)鍵問題尚未解決。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)確性并提供重要價值。另一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)源于模擬所需的大量計算資源，需要在GPU和CPU集群上進行大規(guī)模并行化。如果沒有這種并行化，多軌多層MAM模擬實際上是不可能的。此外，基于粒子、基于物理的MAM過程模型與快速機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的集成提供了令人興奮的機會，可以轉(zhuǎn)移當(dāng)前模型開發(fā)活動的重點，從而實現(xiàn)前所未有的計算效率和節(jié)省。從材料工藝的角度來看，原位合金化和多材料應(yīng)用的集成對于擴展MAM的功能具有巨大的潛力，可以利用仿真反饋來制造具有定制材料特性的功能組件。簡而言之，在MAM中開發(fā)基于無網(wǎng)格粒子的方法的前景可以概述為：

• 用于評估制造缺陷，特別是未熔合孔隙率。
• 有可能嵌入預(yù)測模型控制和現(xiàn)場過程監(jiān)控系統(tǒng)。
• 進一步探索大型模擬的運行時加速。
  

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

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