增材制造 (AM) 過(guò)程的熔池規(guī)模數(shù)值建模可以為AM-增材制造零件的過(guò)程-屬性-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供預(yù)測(cè)能力和理論洞察力。 盡管數(shù)值模型能夠解決復(fù)雜的多物理場(chǎng)問(wèn)題，但考慮詳細(xì)物理場(chǎng)和計(jì)算成本之間的權(quán)衡通常很重要。 因此，實(shí)驗(yàn)條件和建模所需參數(shù)的不確定性來(lái)源需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)驗(yàn)證模型。 根據(jù)計(jì)算材料科學(xué)上發(fā)表的《Calibrating uncertain parameters in melt pool simulations of additive manufacturing》論文，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了一種方法來(lái)校準(zhǔn)用于粉末床融合 (PBF) AM 的連續(xù)體尺度熔池模型中使用的不確定參數(shù)，研究了簡(jiǎn)化的傳熱模型和傳熱與流體流動(dòng)模型。

本期將分享以上相關(guān)研究論文的主要內(nèi)容。

相關(guān)研究發(fā)表在Computational Materials Science, [Volume 218]上

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025622006152?dgcid=author

 降低熔池模擬的計(jì)算成本

     根據(jù)論文了解到美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室基于馬爾可夫鏈的優(yōu)化算法在 NIST AM-Bench 2018-02 數(shù)據(jù)集的目標(biāo)熔池寬度和深度的實(shí)驗(yàn)變化范圍內(nèi)校準(zhǔn)了模型的熔池幾何形狀。該研究比較了兩種模型之間的熔池溫度分布、凝固參數(shù)和模擬的多層凝固微觀結(jié)構(gòu)。

      兩種模型的類似結(jié)果表明，可以使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的保真度較低的數(shù)值模型代替保真度較高的模型來(lái)生成熔池凝固數(shù)據(jù)。因此，這些校準(zhǔn)模型可以降低熔池模擬的計(jì)算成本，而不會(huì)顯著降低晶粒級(jí)微觀結(jié)構(gòu)模擬的模擬精度。

粉末床熔融 (PBF) 增材制造技術(shù)通過(guò)使用逐層方法選擇性地將金屬粉末顆粒熔化成最終形狀來(lái)制造零件。精細(xì)的粉末原料通過(guò)激光或電子束熱源的聚焦熔化能夠生產(chǎn)具有精細(xì)特征分辨率的復(fù)雜幾何形狀。此外，由于快速冷卻速率而形成精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。在《增材制造設(shè)計(jì)（DfAM)指南》這本書中，援引了AM零件質(zhì)量影響因素的石川圖，在石川圖中詳細(xì)的舉出了影響加工質(zhì)量的160多種因素，僅僅是激光掃描過(guò)程，就包括了掃描線長(zhǎng)度，掃描線種類，外輪廓，內(nèi)輪廓，掃描方式，掃描速度，光束矯正，收縮補(bǔ)償，掃描線順序，填充間距，填充方向，激光功率，（離）聚焦，表面填充參數(shù)，偏移等等。可見要通過(guò)人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)駕馭和平衡160多種影響加工質(zhì)量的變量是非常難的。由于過(guò)程的復(fù)雜性，機(jī)器及其生產(chǎn)的零件的鑒定是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。目前，提高資格認(rèn)證的一種方法是利用過(guò)程建模，通過(guò)最少的實(shí)驗(yàn)了解潛在結(jié)果。

經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的熔池機(jī)械模型可以提供有關(guān)熔池幾何形狀、凝固條件、合金元素蒸發(fā)以及缺陷形成的潛在機(jī)制的難以測(cè)量的信息。然而，對(duì)熱源附近、熔池內(nèi)和整個(gè)建筑中的亞微米級(jí)傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行建模是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的多尺度問(wèn)題。此外，機(jī)器的可變性導(dǎo)致同一部件的屬性差異，因此必須校準(zhǔn)模型以解決這種可變性。

驗(yàn)證和校準(zhǔn)預(yù)測(cè)的熔池幾何形狀的一種標(biāo)準(zhǔn)方法是通過(guò)比較預(yù)測(cè)的熔融邊界與在單道熔體的橫截面中觀察到的熔融邊界。使用單道熔體的橫截面是一種可用于模型驗(yàn)證的方法，因?yàn)樵摲椒ㄖ恍枰?PBF 系統(tǒng)和金相實(shí)驗(yàn)室。然而，這種方法僅提供有關(guān)熔池深度和寬度的信息，而已知熔池的3D幾何形狀對(duì)于確定微觀結(jié)構(gòu)非常重要。

原位測(cè)量技術(shù)可以通過(guò)紅外成像或同步加速器 X 射線成像提供有關(guān)熔池長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，但捕獲此類數(shù)據(jù)所需的設(shè)備不是商業(yè)PBF系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。因此，這些技術(shù)主要限于生成基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，例如美國(guó)國(guó)家技術(shù)研究院 (NIST) AM-Bench 數(shù)據(jù)集，可能不適用于每個(gè)感興趣的材料系統(tǒng)。

校準(zhǔn)模型參數(shù)以獲得特定的熔池幾何形狀需要指定一個(gè)成本函數(shù)來(lái)確定模型在參數(shù)空間中的精度，了解熔池幾何形狀如何響應(yīng)模型參數(shù)的變化，并確定最佳參數(shù)以最大限度地提高模型精度。通過(guò)對(duì)PBF過(guò)程的直觀理解，可以通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)減少模擬和觀察到的熔池幾何形狀之間的差異來(lái)手動(dòng)優(yōu)化參數(shù)。然而，手動(dòng)方法存在潛在的人為偏差風(fēng)險(xiǎn)，意外地找到局部最優(yōu)而不是全局最優(yōu)，并且可重復(fù)性差。

優(yōu)化過(guò)程應(yīng)該使用算法方法，例如統(tǒng)計(jì)回歸、遺傳算法或貝葉斯優(yōu)化，以避免偏差并提高找到全局最優(yōu)值的可能性。

盡管算法優(yōu)化算法具有優(yōu)勢(shì)，但反復(fù)運(yùn)行模型進(jìn)行優(yōu)化可能需要大量計(jì)算資源。替代模型可用于優(yōu)化校準(zhǔn)模型參數(shù)以外的應(yīng)用，例如尋找最佳工藝參數(shù)以提供所需的熔池形狀或微觀結(jié)構(gòu)。

美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室《Calibrating uncertain parameters in melt pool simulations of additive manufacturing》這篇論文研究的重點(diǎn)是對(duì)AM數(shù)值建模文獻(xiàn)中常用的兩種連續(xù)介質(zhì)模型的校準(zhǔn)，一種只考慮傳熱，另一種考慮傳熱和流體流動(dòng)。將使用熔池二維橫截面的寬度和深度完成的校準(zhǔn)與使用二維橫截面加上原位紅外數(shù)據(jù)的熔池長(zhǎng)度完成的校準(zhǔn)進(jìn)行比較。校準(zhǔn)模擬與元胞自動(dòng)機(jī)模型ExaCA相結(jié)合，以證明這種方法對(duì)耦合熱微結(jié)構(gòu)模擬的有效性。

美國(guó)橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室采用的模型在 OpenFOAM 中的自定義求解器上實(shí)現(xiàn)，OpenFOAM是一個(gè)開源計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 平臺(tái)。

ExaCA 是一種基于開源元胞自動(dòng)機(jī) (CA) 的合金成核和樹枝晶生長(zhǎng)模型，用于使用熔池?cái)?shù)據(jù)模擬微觀結(jié)構(gòu)。

    模型參數(shù)校準(zhǔn)后，熔池的簡(jiǎn)化物理傳熱模型為預(yù)測(cè)的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了與多種工藝條件下的傳熱和流體流動(dòng)熔池模型相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。兩個(gè)模型的可比較結(jié)果表明，可以使用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的、物理保真度較低的數(shù)值熔池模型代替保真度較高的數(shù)值模型，以實(shí)現(xiàn)部分規(guī)模的熔池模擬。

(責(zé)任編輯：admin)

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