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解決金屬3D打印缺陷的研究——多尺度多物理場數值模擬
發布:Iron_MAN10   時間:2019/8/26 8:33:50   閱讀:529 
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增材制造(Additive Manufacture, AM)作為一種新興的工業生產技術,已經引起了越來越多行業的關注。例如航空航天、軍工和醫療等領域關鍵復雜零部件的加工制造。然而,要實現這些高精度、復雜零件的工業化生產,必須提高增材制造的成形質量和可重復性,克服零件孔洞,表面光潔度,不理想的微觀組織結構和零件殘余應力等制造缺陷。以上缺陷的控制不僅涉及宏觀的力學性能研究,同時需要對微尺度的形貌加以分析,因此極大地增加了實驗觀測難度和實驗成本。

為克服實驗研究的難點,新加坡國立大學閆文韜及其合作者構建了多尺度多物理場模型,對增材制造全過程進行仿真模擬,加深了對其物理機理的理解,為工藝參數的選擇和優化提供了相應的理論指導。

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生碰撞,將電子的動能轉化為原子振動能量的過程。傳統的電子束熱源模型大多基于熔池形貌的觀測而獲得,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發表的論文提出了一種區別于傳統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理及新熱源模型
 
該熱源模型獲得了加拿大麥吉爾大學P.R. Carriere研究團隊的實驗驗證。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化過程中的“火山坑”現

2. 電子束選區熔化的多尺度模型

在電子束熱源模型的基礎上,2016年,閆文韜(第一作者)與林峰,Wing Kam Liu (通訊作者)在Acta Materialia發表論文提出了電子束選區熔化的多尺度模型(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、凝固過程的物理機制;最后在宏觀尺度上,利用有限元方法實現整體零件增材制造過程的熱力學仿真。
 

圖2. 多尺度電子束選區熔化模擬流程
 
3.增材制造全過程模擬

電子束選區熔化涉及金屬粉末熔化,流動,凝固等復雜的物理過程。其物理尺度小,缺陷機理難以給出準確的物理解釋,一直是增材制造研究的難點。2017年,閆文韜(第一作者)與林峰(通訊作者)在Engineering上的研究實現了電子束選區熔化三大主要工藝過程的仿真模擬:

1.粉末鋪設;
2. 粉末預熱與輕度燒結;
3. 粉床的選區熔化(圖3)。

通過與實驗對比,該數值模型能對粉末鋪設過程、粉末燒結中的顆粒頸縮以及和熔化道中的孔隙缺陷等現象進行定量描述。全過程的數值模擬能有效還原真實的制造過程,有助于熔化道的質量分析,進而指導制造過程的參數優化和工藝設計。
 

圖3. 電子束選區熔化過程實驗和仿真模型。
 
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和流體力學分析的幾何輸入,采用相場法(Phase Field,PF)、有限體積方法(Finite Volume Method,FVM)分別進行介觀尺度下金屬粉末燒結過程和熔化過程的模擬。

其中,自由表面的形貌采用體積分數法(VOF)處理。

部分模擬結果如圖4所示。
 

圖4. 單熔化道實驗與模擬結果。
(a), (c)球化現象;(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發表的研究對電子束選區熔化的熱力學過程進行了模擬。針對鋪粉式電子束選區熔化過程,分別對單/多熔化道,單層和多層不同掃描方案展開熱力學模擬,充分討論了熱源參數、掃描方案、鋪粉狀態等控制參數對球化、表面形貌、孔洞缺陷、馬拉高尼(Marangoni)現象以及材料結構的影響規律(圖5),結合不同參數的模擬計算,討論了熔化道質量的提升方案。
 

圖5. 多層、多道電子束選區熔化過程中孔洞的形成
 
近期,閆文韜與美國阿貢國家實驗室和密蘇里大學合作,在Nature Communications發表學術論文,利用高速X射線成像技術直接觀察了激光選區熔化過程中氣泡的運動,其中閆文韜開發的熔化模型很好的重現了激光選區熔化過程中的keyhole現象。
 

圖6. Keyhole現象的高物理保真仿真模擬與阿貢國家實驗室高速X光下的直接實驗結果
 
4. 基于數據驅動的成形-結構-性能一體化模擬

為解決實驗參數選擇與優化復雜、實驗過程繁瑣、生產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提出了基于數據驅動的多尺度、多物理場過程結構一體化模擬的增材制造框架。將制造過程中的數據與模擬的數據構成數據庫,通過數據庫之間的協同工作,以數據挖掘的方式,將模擬計算結果反饋給制造數據,對制造參數進行實時調控,實現增材制造在線監測的閉環控制。同年,閆文韜(第一作者)與Gregory J. Wagner(通訊作者)在Computer Methods in Applied Mechanics & Engineering發表的論文,對一體化模擬系統做出了詳細的討論(圖7)。其數值模擬部分主要由三個模塊相互耦合構成:

1. 鋪粉仿真+熱/流體力學數值模型計算,得出AM過程中熔池的溫度場演變、多層多道熔化道演變、孔洞結構的形成等過程;
2. 提取1中計算的溫度場分布、熔化道形貌、孔洞分布等狀態數據,作為枝晶生長的元胞自動機模型的輸入參數,預報構件的晶粒結構;
3. 將2中的結果作為材料的物性參數,預報構件的力學性能,疲勞壽命等宏觀特征。
 

圖7. 成形-結構-性能一體化模擬框架的概念分布圖
 
成形-結構-性能一體化數值模擬不僅能用于材料晶粒、體積缺陷分布等信息的預測,還能用于粉末顆粒熔化和熔池流動的過程預測,從而促進對增材制造機理的理解。此外,結合過程監控系統的閉環控制,能確保制造過程和制造質量的穩定性。


來源:南極熊
 
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