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长三角G60激光联盟导读
美国俄克拉荷马大学和犹他州立大学的科研人员综述了金属增材制造工艺的物理建模研究。相关论文以“Physics-based modeling of metal additive manufacturing processes: a review”为题发表在《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology》上。
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在当今世界，从基础设施、交通运输到电子和航空航天，金属材料无处不在，其重要性不言而喻。金属增材制造（MAM）能制造出具有拓扑优化的复杂结构和功能的高价值部件，彻底改变了传统的生产方法。本综述探讨了研究和优化金属增材制造工艺对精密物理模型的迫切需求。探讨了基于熔融和固态的AM技术，重点介绍了当前最先进的建模方法。本综述的目的是评估现有模型，确定其优势和局限性，并提出未来研究领域，提高AM工艺的可预测性和优化性。通过总结和比较各种建模技术，本综述旨在提供对当前研究状况的全面了解。重点讨论了不同模型的优缺点，包括它们对熔融和固态AM方法中常见的关键要素和过程的适用性。当一种技术存在多种模型时，进行比较突出它们的相对优缺点。在本综述的最后，探讨了基于物理的复杂工艺建模的发展前景，以及将其与结构-性能关系模型相结合的策略。
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图1不同类型的基于熔融的MAM方法。
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图2不同类型的固态MAM方法
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图3a粉末床的离散处理和b连续处理。
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图4用a FVM和b FEM分别模拟了激光诱导熔池模型，并与实验结果对比。
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图5分别用a CA和b PF方法模拟了凝固过程。b边长以0.2μm为单位。
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图6 AMed Inconel 718在1080℃温度下均质化前后的PF模拟和实验图像。
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图7铜粉末喷涂的实验观察与模拟对比。
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图8不同进给速率下AFS-D 的温度（单位 ℃）等值线：a 63.5 mm/min, b 127 mm/min, c 254
mm/min。
熔融和固态MAM工艺强调了这些技术在塑造未来工业制造方面的变革潜力。虽然这两种MAM 技术都具有明显的优势--熔融MAM可以精确地制造复杂的结构，固态MAM则具有优异的力学性能和较低的残余应力--但它们之间的选择在很大程度上取决于具体的应用要求和固有的材料特性。随着MAM的不断发展，采用先进的计算模型对于提高这些工艺的可预测性和稳定性至关重要。本报告对这些模型的综述不仅有助于了解制造过程中和制造后错综复杂的微观结构演变，还有助于优化工艺参数，减少缺陷和提高材料性能。展望未来，这些计算工具的不断发展和完善将在克服当前与材料性能、工艺稳定性和成本效益相关的局限性方面发挥关键作用。归根结底，制造工艺的未来不仅在于改进工艺和材料，还在于将这些进步整合到符合全球经济和环境目标的可持续制造模式中。将基于物理的工艺模型与阐明结构-性能关系的模型相结合，对于理解整个制造工艺-结构-性能连续体至关重要。通过这种整合，可以全面了解制造参数的变化如何影响微观结构特征，以及随后这些微观结构如何决定最终产品的力学性能。通过模拟调整加工条件以实现预期结果，此类模型有助于预测和优化制造部件的性能。例如，在基于熔融MAM中调整热功率和扫描速度，可以模拟预测晶粒大小和取向的变化，这些变化直接影响金属的强度和抗疲劳性。最终，这种全面的建模方法是推动MAM技术发展的基础，可精确定制材料满足特定的性能标准，并促进具有优化性能的下一代合金的开发。
论文链接：
Xu, S., Younes Araghi, M. & Su, Y. Physics-based modeling
of metal additive manufacturing processes: a review. Int J Adv Manuf Technol
134, 1–13 (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-14156-9
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