通过从头到尾的模拟优化了增材制造构建

整个增材制造构建从头到尾都进行了模拟，使用了结合了几种复杂模拟技术的新工艺。

该工艺由德国弗莱堡弗劳恩霍夫材料力学研究所的研究人员开发，旨在最大限度地减少试错和优化单个打印的参数，并专注于激光粉末床融合(LPBF)。

研究人员表示，使用LPBF工艺的增材制造“提供了很多优势”。“它经济、精确，并允许定制解决方案。”

在LPBF中，用激光对50微米厚的粉末床进行精确加热。随着激光的移动，粉末液化，颗粒熔化，熔池凝固。在激光束不接触粉末的区域，不会发生聚变。这个过程重复多次，使组件一层一层地生长。

弗劳恩霍夫的研究人员说，成品组件需要100%的密度，没有孔，每层都要牢固地连接在下一层。这是通过调整工艺参数来实现的，例如激光的扫描速度和功率，由此产生的微观结构对成品的机械性能有重大影响。

然而，确定最佳工艺参数可能很困难，因此弗劳恩霍夫团队在微观结构层面模拟了整个过程。

“由于新材料和新要求，激光粉末床融合过程变得越来越复杂，我们决定模拟整个过程链，”团队负责人Claas Bierwisch博士说。“这不仅使我们能够最大限度地减少试错周期，而且能够快速有效地评估整个过程中的变化，并消除制造过程中的不良影响。”

首先，离散元法模拟了单个粉末颗粒在建筑室中的扩散情况。其次，采用光滑颗粒流体力学方法模拟了粉末颗粒的熔化过程。计算了激光相互作用和热传导，以及引起熔体流动的表面张力。计算还考虑了重力和物质蒸发时产生的反冲压力。

模拟还需要描述材料的微观结构，以预测其力学性能。“为了分析这种微观结构，我们采用了另一种模拟方法，称为细胞自动机。这描述了金属颗粒如何随着温度梯度的变化而生长，”Bierwisch博士说。

在激光与粉末接触的地方，温度可以达到3000摄氏度，但在几毫米之外的地方，材料是凉爽的。激光还可以以每秒几米的速度在粉末床上移动，因此材料在几毫秒内再次冷却之前非常迅速地加热，所有这些都会影响微观结构的形成。

最后一步是有限元模拟，它在不同方向上进行拉伸试验，以找出材料对载荷的反应。

“在模拟中，我们可以实时观察发生了什么，”Bierwisch博士说。“这种方法的质量与实验完全不同……你可以以一种近乎调查的方式发现相互关系。”

---

想要最好的工程故事直接发送到你的收件箱?专业工程通讯为您提供最尖端的工程和令人兴奋的新工作机会的重要更新。要注册，请单击在这里．

专业工程发布的内容不一定代表机械工程师学会的观点。万博manbetx网址