德国弗莱堡弗劳恩霍夫材料力学研究所 (IWM) 的研究人员开发了一种在微观结构层面模拟激光束粉末床熔合 (PBF-LB) 增材制造工艺的方法，以确定材料与材料之间的直接相关性，该方法是结合多种不同模拟方法的结果，将能够确定最佳工艺参数，例如激光的扫描速度或功率。
L-PBF加工过程的光线追踪模拟
© Fraunhofer IWM
确定最佳工艺参数
金属晶粒的微观结构对于零部件的机械性能尤为重要：它们具有特定的方向、尺寸和形状，对重要的机械性能有影响。然而，在 L-PBF激光粉末床熔融3D打印过程中很难确定最佳工艺参数，尤其是当组件由形成不同微结构的材料混合物制成时。
L-PBF的3D 打印过程仿真链，从粉末到机械特性
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使用离散元方法，弗劳恩霍夫Fraunhofer IWM 的研究人员首先模拟了粉末颗粒如何通过刮刀铺散开来。接下来，通过光滑粒子流体动力学方法模拟粉末颗粒熔体的方式——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，计算还考虑了重力和 材料蒸发时产生的反冲压力。
模拟过程还需要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，弗劳恩霍夫Fraunhofer IWM采用了另一种模拟方法，称为元胞自动机。根据百度百科，不同于一般的动力学模型，元胞自动机不是由严格定义的物理方程或函数确定，而是用一系列模型构造的规则构成。凡是满足这些规则的模型都可以算作是元胞自动机模型。因此，元胞自动机是一类模型的总称，或者说是一个方法框架。其特点是时间、空间、状态都离散，每个变量只取有限多个状态，且其状态改变的规则在时间和空间上都是局部的。
激光熔池中柱状微结构形成的模拟
© Fraunhofer IWM
3D科学谷了解到Fraunhofer IWM 团队的模拟过程根据温度梯度的函数描述了金属晶粒如何生长。激光与粉末相遇的温度最高可达 3,000ºC，而只有几毫米远的材料会很冷，激光以高达每秒几米的速度在粉末床上移动。结果，材料升温非常快，然后在几毫秒内再次冷却，所有这些都会影响微观结构的形成方式。
最后一步是有限元模拟，3D科学谷了解到Fraunhofer IWM 研究团队对材料的代表性体积进行不同方向的拉伸测试，以了解材料对这些载荷的反应。由此，Fraunhofer IWM创建了一种过程-结构-特性关系，例如，如果增加激光功率，微观结构就会发生变化。反过来，这会显着影响材料的屈服应力。
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