金属增材制造的多物理场物质点有限元法…l 【焦点 l 模拟、AI】

| 3DScienceValley · 2024/12/27

谷专栏

3D科学谷洞察

“首件即合格”，数据与算法的驱动的智能化增材制造方式正在掀起3D打印行业的自我革命，是增材制造走向智能制造的跨时代金矿与赋能工具。”

金属增材制造的
多物理场物质点有限元法

李明健,陈嘉伟,廉艳平
北京理工大学先进结构技术研究院

金属增材制造过程涉及复杂的热-流-固强耦合问题，对数值模拟算法的精度和效率提出了巨大的挑战。针对该问题，本文提出了多物理场物质点有限元法。该方法采用结构化背景网格、有限单元和物质点离散求解各物理场，通过分区求解和界面耦合的方式实现热-流-固耦合求解。对于潜在熔化区域和未发生熔化的区域，分别采用物质点和有限元离散，结合了两者在求解材料特大变形和小变形问题上的各自优势，能够在保证计算精度的前提下有效提升计算效率。数值算例表明了本文算法的热-流-固多场耦合计算精度、相比于已有算法的高效性以及物质点和有限元离散区域界面处温度和应力的连续性。本文工作为金属增材制造过程多物理场耦合问题提供了一种高效的数值模拟方法。

冷喷涂中氧化物影响的物质点法模拟

陈聪,苏浩,刘岩
清华大学航天航空学院

冷喷涂利用冲击载荷下材料的塑性变形实现金属间的固态结合，在表面修复、特殊材料制备和增材制造等工程应用方面具有重要意义。原材料表面的氧化物是影响冷喷涂中材料结合效率和粘接强度的重要因素之一。本文采用物质点法研究了颗粒及基底表面氧化物对粘接过程的影响。通过分析界面处氧化物的残留情况，借助定义的颗粒内极端塑性变形区的体积比，给出了不同冲击速度下颗粒和基底氧化物对接触面积和塑性变形程度的影响规律。当氧化物存在时，提高颗粒的冲击速度能够同时增加新鲜的金属表面和塑性变形。

金属增材制造的
多物理场物质点有限元法

李明健,陈嘉伟,廉艳平
北京理工大学先进结构技术研究院

扫描策略对增材制造
钛铝异质合金组织性能影响

贺晨1李家栋2孙晨1赵宇辉1赵吉宾1王志国1何振丰1
1.中国科学院沈阳自动化研究所工艺装备与智能机器人研究室2.东北大学材料科学与工程学院

实现物性差异大钛-铝异质合金复合增材制造，对高比强度钛-铝复合结构在航空重大装备上应用具有重要意义。本文以AlTiVNbSi高熵合金为中间过渡层，采用激光熔化沉积制备了Ti-Al异质合金复合试样，基于金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、显微硬度、室温拉伸等方法，研究了扫描策略对Ti-Al异质界面区组织性能的影响规律。结果表明：扫描策略优化可以显著改善异质界面区的结合情况，与带状扫描策略相比，环状扫描获得的微观组织细小、致密且晶粒生长方向杂乱多变；其界面层厚度约为10μm，比带状扫描下界面层厚度减薄了50%；同时，界面结合区的抗拉强度也明显提高，最高抗拉强度约为235MPa，提高了约20.5%，拉伸试样断裂位置发生在钛合金与高熵合金界面处。

基于声音识别技术的
增材制造过程质量预测技术研究

丁远强
广西轻工技师学院

针对增材制造过程质量不稳定的问题，提出一种基于声音识别技术的增材制造过程质量预测（Sound Recognitionbased Additive Manufacturing Process Quality Prediction,SRAM-PQP）方法。该方法通过音频信号预处理、声音特征提取、机器学习模型训练，实现增材制造零件缺陷的精准预测。实证结果表明，SRAM-PQP方法的预测准确率达96.67%,F1值达96.75%，对不同缺陷类型均展现出良好的预测性能。

铝合金粉末雾化过程数值模拟及实验研究

刘英杰1,2,3胡强1,2,3赵新明2,3张少明3
1.有研粉末新材料股份有限公司金属粉体材料产业技术研究院2.有研增材技术有限公司3.北京有色金属研究总院

采用数值模拟和实验验证相结合的方法研究铝合金粉末雾化过程，系统地对熔体在不同盘形表面铺展运动特性和熔体薄液膜的破碎规律，以及破碎后形成液滴的飞行冷却情况进行研究，结果表明：球形盘表面液膜相对于盘面的滑移更小，液膜铺展得更均匀，盘面的传热更稳定，相同工况下球形盘连续液膜边界直径相比增加了约40%，最大液膜速度增加约19%，雾化液滴中位径D50减小约12.3%，液滴粒径分布更为集中，对粉末粒径及粒度分布的控制更高效。

基于选区激光熔化的多孔结构工艺性能研究

甘艺良1伊明扬1叶焰杰2曾达1陈靖1马腾1
1.大博医疗科技股份有限公司基础研究院2.厦门医疗器械研发检测中心有限公司力学实验室

增材制造(3D打印)作为一种先进成型技术，在复杂多孔结构制造领域具有天然的优势。为研究3D打印成型多孔结构的工艺-性能规律，基于Ti-6Al-4V合金(TC4)材料及选区激光熔化(SLM)的3D打印方式成型多孔结构，通过正交实验设计的方法，选取SLM选区激光熔化工艺参数包括激光功率、扫描速度、搭接距离为试验因素，利用极差及方差分析，研究不同工艺因素对金属选区激光熔化(SLM)3D打印多孔样件的力学性能影响规律及相关因素对不同性能指标的影响程度。最终利用线性回归方程拟合的方式，获得相关因素与性能指标的线性回归方程关系，通过回归关系方程预测最优性能组合的理论性能值并与实际测试值进行比对，理论值与实际值匹配良好，证明了通过正交实验方法建立因素条件与性能的函数映射关系并对SLM成型多孔结构进行性能预测的可行性和准确性。

3D打印C-PEEK的
仿生结构设计和力学行为分析

邵剑锋1巢昺轩1马思齐2李权洪2王美荣3宋晓国3何培刚2
1.昌河飞机工业(集团)有限责任公司2.哈尔滨工业大学材料学院特种陶瓷研究所3.哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室

为了分析3D打印碳纤维增强聚醚醚酮（C-PEEK）复合材料的力学行为，探索最优工艺参数进行仿生结构设计，研究了碳纤维含量、打印喷头温度、平台温度、切片层厚度、打印速度、填充度、填充直线角度、填充形状、热处理温度及保温时间等多个工艺参数下，3D打印C-PEEK的力学性能演化规律。结果表明：含10 wt.%碳纤维的C-PEEK拉伸性能最好，并且最佳的3D打印参数为：打印喷头温度440℃、平台温度130℃、切片厚度0.2mm、填充度100%、90°直线填充、打印速度40mm/s、保温腔90℃。此外，根据最佳3D打印参数设计兼具蜂窝多孔和Bouligand旋转夹层的仿生结构，开展抗压强度测试并进行压溃行为分析，发现当层间旋角为30°时对应的蜂窝-Bouligand仿生结构的抗压强度可达24.1 MPa，且具有优异的非灾难性断裂特征。

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