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解决金属3D打印缺陷的研究——多尺度多物理场数值模拟“冰球突破正规官网”

时间:2021-06-21
本文摘要:增材生产制造的多尺度多物理学场标值模拟仿真新加坡国立大学闫文韬精英团队增材生产制造(AdditiveManufacture,AM)做为一种新起的工业化生产技术性,早就引起了更为多领域的瞩目。比如航天航空、军用和诊疗等行业重要简易零部件的生产加工生产制造。殊不知,要搭建这种高精密、简易零件的工业生产,必不可少提高增材生产制造的成型品质和精确性,处理零件孔眼,表层光滑度,不理想化的外部经济的组织架构和零件分裂变形等生产制造缺少。

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增材生产制造的多尺度多物理学场标值模拟仿真新加坡国立大学闫文韬精英团队增材生产制造(AdditiveManufacture,AM)做为一种新起的工业化生产技术性,早就引起了更为多领域的瞩目。比如航天航空、军用和诊疗等行业重要简易零部件的生产加工生产制造。殊不知,要搭建这种高精密、简易零件的工业生产,必不可少提高增材生产制造的成型品质和精确性,处理零件孔眼,表层光滑度,不理想化的外部经济的组织架构和零件分裂变形等生产制造缺少。

之上缺少的操控不但涉及宏观经济的物理性能科学研究,另外务必对微限度的外貌具体分析,因而非常大地降低了试验观察可玩度和试验成本费。为处理试验科学研究的难点,新加坡国立大学闫文韬以及合作方创设了多尺度多物理学场模型,对增材生产制造全过程进行模型模拟仿真,加重了对其物理学原理的讲解,为加工工艺主要参数的随意选择和提升获得了适度的理论创新。1.根据蒙特卡洛方式模拟仿真得到 电子束热原模型:电子束的动能传送是电子束的电子器件与原材料的分子再次出现碰撞,将电子器件的机械能转换变成分子震动动能的过程。传统式的电子束热原模型大多数根据溶池外貌的观察而获得,模型出现偏差的原因较小,且物理意义不明确。

二零一五年,闫文韬(第一作者)与WingKamLiu(通讯作者)在ComputationalMechanics公布发布的毕业论文明确指出了一种差别于传统式热原模型的新热原模型,即根据蒙特卡罗(MonteCarlo)方式获得电子器件分子碰撞的动能产自,如图所示1下图。图1.电子束与金属材料相互影响原理及新的热原模型该热原模型获得了澳大利亚麦吉尔大学P.R.Carriere科学研究精英团队的试验检测。

此外,应用该热原模型,能够更为掌握地表明电子束或电子束表层冲击性提高过程中的“活火山坑”现2.电子束选区熔融的多尺度模型在电子束热原模型的基本上,二零一六年,闫文韬(第一作者)与林峰,WingKamLiu(通讯作者)在ActaMaterialia公布论文发表明确指出了电子束选区熔融的多尺度模型(图2)。外部经济限度上,应用蒙特卡罗方式剖析了电子器件分子相互之间碰撞具有下的动能产自特点;介观限度上,剖析了金属粉加温、熔融、流动性、凝固过程的物理学体制;最终在宏观经济限度上,运用有限元方法搭建总体零件增材生产制造过程的热学模型。图2.多尺度电子束选区熔融模拟仿真步骤3.增材生产制造全过程模拟仿真电子束选区熔融涉及金属粉熔融,流动性,凝固等简易的物理学过程。

其物理学限度小,缺少原理没法得到精准的物理学表明,依然是增材生产制造科学研究的难点。17年,闫文韬(第一作者)与林峰(通讯作者)在Engineering上的科学研究搭建了电子束选区熔融三大关键加工工艺过程的模型模拟仿真:1.粉末状铺装;2.粉末状充压与轻微产品工件;3.粉床的选区熔融(图3)。

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根据与试验比照,该标值模型能对粉末状铺装过程、粉末状产品工件中的顆粒颈限及其和熔融道中的孔隙度缺少等状况进行定量分析描述。全过程的标值模拟仿真能合理地转变成实际的生产制造过程,有利于熔融道的质量检查,从而具体指导生产制造过程的主要参数提升和工艺技术。图3.电子束选区熔融过程试验和模型模型。模拟仿真步骤关键还包含:运用线形模块模型(DiscreteElementMethod,DEM)打法铺粉后的粉床几何图形外貌;将粉床外貌做为热学和流体动力学剖析的几何图形輸出,应用相场法(PhaseField,PF)、受到限制容积方式(FiniteVolumeMethod,FVM)各自进行介观限度下金属粉产品工件过程和熔融过程的模拟仿真。

在其中,支配权表层的外貌应用摩尔分数法(VOF)应急处置。一部分模拟仿真結果如图4下图。图4.单熔融道试验与模拟仿真結果。(a),(c)灰铸铁状况;(b),(d)非分布均匀熔融道在17年,闫文韬(第一作者)与林峰,GregoryJ.Wagner(通讯作者)在ActaMaterialia和Materials&design公布发布的科学研究对电子束选区熔融的热学过程进行了模拟仿真。

对于砖粉式电子束选区熔融过程,各自对单/多熔融道,单面和双层各有不同扫瞄计划方案开展热学模拟仿真,充份争辩了热原主要参数、扫瞄计划方案、铺粉情况等主要参数对球化、表层外貌、孔眼缺少、拉尔高尼(Marangoni)状况及其原材料构造的危害规律性(图5),结合各有不同主要参数的数值模拟,争辩了熔融道品质的提升 计划方案。图5.双层、多道电子束选区熔融过程中孔眼的组成最近,闫文韬与英国阿贡国家级实验室和密苏里大学协作,在NatureCommunications公布发布期刊论文,运用髙速X射线光学技术必需认真观察了激光器选区熔融过程中汽泡的健身运动,在其中闫文韬产品研发的熔融模型非常好的重现了激光器选区熔融过程中的keyhole状况。

图6.Keyhole状况的高物理学正品保证模型模拟仿真与阿贡国家级实验室髙速X光下的必需试验結果4.根据数据驱动的成型-构造-特性一体化模拟仿真为解决困难试验主要参数随意选择与提升简易、试验过程繁杂、生产制造零件特性没法操控等难题,2018年,闫文韬(第一作者)与WingKimLiu(通讯作者)在ComputationalMechanics和FrontiersofMechanicalEngineering明确指出了根据数据驱动的多尺度、多物理学场过程构造一体化模拟仿真的增材生产制造架构。将生产制造过程中的数据信息与模拟仿真的数据信息包括数据库查询,根据数据库查询中间的协调工作,以大数据挖掘的方法,将数值模拟結果系统对给生产制造数据信息,对生产制造主要参数进行动态性管控,搭建增材生产制造在线检测的闭环控制系统。同一年,闫文韬(第一作者)与GregoryJ.Wagner(通讯作者)在ComputerMethodsinAppliedMechanics&Engineering公布发布的毕业论文,对一体化系统模拟做出了详细的争辩(图7)。其标值模拟仿真一部分关键由三个控制模块相互之间藕合包括:1.铺粉模型+热/流体动力学标值模型推算出来,下结论AM过程中溶池的温度梯度演变、双层多道熔融道演变、孔眼构造的组成等过程;2.提纯1中推算出来的温度梯度产自、熔融道外貌、孔眼产自等情况数据信息,做为孪晶生长发育的元胞自动机模型的輸出主要参数,气象预报预制构件的晶体构造;3.将2中的結果做为原材料的物理性能主要参数,气象预报预制构件的物理性能,疲倦使用寿命等宏观经济特点。

图7.成型-构造-特性一体化模拟仿真架构的定义布局图成型-构造-特性一体化标值模拟仿真不但能作为原材料晶体、容积缺少产自等信息内容的预测分析,还能作为粉末状顆粒熔融和溶池流动性的过程预测分析,进而提高对增材生产制造原理的讲解。除此之外,结合过程视频监控系统的闭环控制系统,能确保生产制造过程和生产制造品质的可靠性。


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