Fraunhofer：微结构级仿真可实现最佳3D打印工艺参数

在3D打印进入工业应用后，通常提供交钥匙的解决方案，用户通常不需要自主再进行开发，直接根据使用必要步骤操作即可完成零件制造。但对于厂商研发或者学术研究，工艺参数的确定仍然是重要的环节，通常也有很多采用仿真确定工艺参数的方法，但多是通过宏观性能的对比。3D打印技术参考注意到，Fraunhofer的研究人员于2023年公布首次在微观结构层面模拟该金属3D打印的过程，确定工件特性与所选工艺参数之间的直接相关性。

激光粉末床熔融，通过激光与金属粉末的相互作用，实现颗粒熔化与凝固，实现厚度约50μm的粉末床成形。在激光束不与粉末接触的区域，不会发生熔化。这个过程不断重复，逐渐完成零件制造。

激光熔池中柱状微结构形成的模拟

该工艺理论上可以实现100%的致密度，材料的层与层之间实现良好的冶金结合，没有孔隙。这是通过调整工艺参数来实现的，如激光扫描速度和功率。金属晶粒的微观结构对于工件的机械性能尤为重要。它们具有特定的方向、尺寸和形状，并且对机械性能有相当大的影响，如材料的弹性模量或屈服应力——即材料发生塑性变形的载荷。

如何控制过程，使最终的微观结构满足组件的使用条件，一直是工程界探索的难题，而寻找最佳工艺参数一直是一项非常耗时的实验性工作。

用于LPBF工艺的从粉末到机械性能的仿真链

弗劳恩霍夫材料力学研究所IWM的研究人员现在正在采取不同的方法。由于新材料和新要求导致激光粉末床熔融工艺变得越来越复杂，该研究所的团队决定模拟整个工艺链，这不仅能够最大限度的减少试错周期，而且能够快速有效的评估整个过程中的变化，并消除制造过程中的不良影响。

较为关键的是，研究人员结合了不同的模拟方法——离散元模拟。首先模拟单个粉末颗粒如何借助工具在构建室中铺放，接下来使用平滑粒子流体动力学方法模拟粉末粒子熔化的方式——计算激光相互作用和热传导，以及导致熔体流动的表面张力。该计算还考虑了重力和材料蒸发时产生的反冲压力。

LPBF过程的光线追踪模拟

模拟还必须描述材料的微观结构，以便预测材料的机械性能。为了分析这种微观结构，研究人员采用了另一种模拟模型，称为元胞自动机（它是一种时间、空间、状态都离散，空间相互作用和时间因果关系为局部的网格动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力），基于此能够描述金属晶粒如何作为温度梯度的函数生长。因为激光与粉末相互作用的温度最高可达3000℃，但只有几毫米远的位置材料温度较低。此外，激光以高达每秒几米的速度在粉末床上移动，材料升温非常快，但随后也会在几毫秒内再次冷却下来。所有这些都会影响微观结构的形成方式。

LPBF工艺模拟无熔合缺陷和残余孔隙率

用颜色编码的温度场模拟LPBF过程

实验，只能对最终结果进行研究；而模拟，则可以实时观察发生的情况。换句话说，研究人员创建了一种过程-结构-性能的关系网络：例如，如果增加激光功率，微观结构就会发生变化，进而会显著影响材料的性能。领导该研究的Claas Bierwisch 博士表示，“这与实际情况完全不同，你可以用一种近乎调查的方式来检测相互关系。”