金屬增材制造工藝過程模擬與產品缺陷預測獲進展

　　增材制造（即“3D打印”）減少了傳統制造工藝在優化設計、結構創新及復雜結構制造上的困難，為下一代工業革命奠定了基礎。模擬與仿真可以提升增材制造產能，縮短材料與產品研發周期，預測及修正產品瑕疵，降低生產成本，在增材制造過程中起著日益重要的作用。美國、德國等制造業大國已經將增材制造模擬與仿真技術及軟件的研發作為增強其在先進制造領域全球競爭力的主要途徑，而我國面臨增材制造關鍵算法不足和工藝軟件缺失的嚴峻現實。

　　金屬粉末增材制造是3D打印技術的一個主要分支，已經被廣泛運用在航空航天、汽車及生物醫學等眾多領域。其主要工藝過程包括金屬粉末的輸送或鋪放，以及激光等高能量源作用下粉床的熔融和快速凝固兩個階段循環乃至最后成形的過程，涉及的材料參數與工藝參數眾多（如金屬粉末的大小、形態及分布；光源強度、半徑、掃描速度及掃描策略等），難以僅通過實驗優化工藝參數，提高產品性能。現有的算法與軟件一般不能考慮輸粉過程中金屬粉末和環境（保護氣體）的相互作用，也難以兼顧粉床熔融及凝固過程中的多尺度、多相流動與傳熱等關鍵科學問題，因此不能模擬金屬增材制造真實過程，難以復現球化、局部熔化、未融合等現象，也難以預測增材制造產品的內部缺陷（如空洞、氣泡等）。

　　最近，北京大學工學院劉謀斌課題組（先進計算與多介質耦合力學）在金屬增材制造工藝過程模擬與產品缺陷預測方面取得系列重要研究進展，提出了原創算法，發展了自主可控的一體化模擬技術，從理論上建立了材料物性及工藝參數與增材制造產品缺陷的關聯。所發展的算法、求解器和無量綱數已經應用于某航天科技重要部件增材制造工藝過程模擬與缺陷分析，并能推廣至其它粉末冶金相關領域。

　　針對金屬粉末輸送氣固顆粒兩相流動，課題組原創性地發展了一種半解析耦合算法（Semi-resolved CFD-DEM），實現了復雜區域中金屬顆粒與外部氣體的雙向完全耦合作用（圖1），突破了傳統解析耦合算法（Resolved CFD-DEM）效率低和傳統非解析耦合算法（Unresolved CFD-DEM）精度低的限制。相關工作發表在計算流體力學著名期刊Journal of Computational Physics （2019，384：151–169），第一作者為北京大學工學院2017級碩士生王澤坤（已確定碩轉博），北京大學工學院2015級本科生滕郁駿（已確定赴University of Pennsylvania攻讀博士）為共同第一作者。

圖1 同軸送粉模擬

　　課題組在粉末尺度(powder scale)上發展了激光作用下金屬粉床熔融與凝固的求解器，考慮了多相流動、傳熱、相變及熱應力等關鍵問題，引入了最新的界面處理算法追蹤并重構熔化的液體金屬和固態金屬界面，并作為下次鋪粉的邊界，從而實現了金屬增材制造從送粉/鋪粉到熔融凝固過程的一體化模擬。該求解器可以復現金屬增材制造球化、局部熔化、未融合等傳統商業軟件難以模擬的現象，并能夠用于研究粉床溫度分布，以及預測增材制造產品的內部缺陷（如空洞、氣泡等），是目前國際上少數幾個能實現金屬增材制造多道多層工藝過程模擬的求解器之一。相關工作發表在計算力學著名期刊Computational Mechanics（2019，63:649–661），第一作者為王澤坤。

圖2 粉末尺度熔化和凝固

　　課題組通過對光源參數及材料物性參數進行無量綱分析，結合數值模擬和實驗觀測，提出了若干重要的無量綱數，消除了激光參數及材料參數的不同對模擬結果的不同影響，是決定成型試件的孔隙率及激光熔道尺寸的關鍵參數。例如，所提出的等效多道蒸發率，可以定量描述不同材料在不同激光參數下相同的試件孔隙率變化行為，并找到一個穩定區間：即等效多道蒸發率約處于0.5和0.8之間時，成型試件的孔隙率可以保持在一個穩定的最低點（如圖3、圖4），從而有望實現最佳的產品性能，這對工程實際應用有著開拓性、指導性意義。這項工作以“Dimensionless analysis on selective laser melting to predict porosity and track morphology”為題，近期在線發表于材料加工與成形領域著名期刊Journal of Materials Processing Technology，第一作者為王澤坤。

圖3 雙道激光熔化粉床及孔隙情況

圖4 孔隙率與等效蒸發率的定量規律