انتقل التصنيع بالإضافة (AM)، وخاصة تقنيات انصهار طبقة المسحوق (PBF) مثل التصليد الانتقائي بالليزر (SLS)، من أداة للنمذجة الأولية إلى طريقة إنتاج قابلة للتطبيق للمكونات المعقدة عالية القيمة. يمثل تطوير الإجهادات المتبقية والانفعالات اللدنة على مستوى المسحوق تحديًا حاسمًا في عملية SLS للمواد المسامية، مثل تلك المستخدمة في السقالات الطبية الحيوية أو الهياكل المتدرجة الوظيفية. تؤثر هذه التباينات على المستوى المتوسط، الناشئة عن التسخين الموضعي والتصلب السريع والاندماج بين الطبقات، بشكل كبير على السلامة الميكانيكية للقطعة النهائية ودقتها الأبعادية وأدائها طويل المدى. تقدم هذه الورقة البحثية مخطط محاكاة ثلاثي الأبعاد متعدد الطبقات ومتعدد الفيزياء يدمج نمذجة حقول الطور غير متساوية الحرارة مع التحليل الحراري-المرن-اللدن للتنبؤ بهذه الظواهر وتحليلها بتفاصيل غير مسبوقة.
الإطار المقترح هو نهج متعدد الفيزياء مقترن بإحكام مصمم لالتقاط التفاعلات المعقدة أثناء عملية SLS.
يقوم المخطط بربط محاكاة حقول الطور غير متساوية الحرارة القائمة على طريقة العناصر المحددة (FEM) لتطور البنية المجهرية، بالتتابع مع تحليل الإجهادات الحراري-المرن-اللدن اللاحق. يخدم الناتج (مجال درجة الحرارة، توزيع الطور) من المرحلة الأولى كمدخل وقوة دافعة للمرحلة الثانية. وهذا يسمح بنمذجة خصائص المواد المعتمدة على درجة الحرارة والطور بشكل واقعي.
يتتبع نموذج حقول الطور متعدد معاملات النظام الواجهة بين الحالة الصلبة والسائلة واتحاد جسيمات المسحوق تحت مصدر الحرارة المتحرك للليزر. يحكم التطور معادلات من نوع جينزبورغ-لانداو، مع الأخذ في الاعتبار التدرجات الحرارية وقوى التوتر السطحي.
يستخدم تحليل الإجهادات نموذج لدونة J2 مع تصلب متباين الخواص. يتم تعريف سلوك المادة بواسطة معامل يونغ المعتمد على درجة الحرارة $E(T)$، وإجهاد الخضوع $\sigma_y(T)$، ومعامل التمدد الحراري $\alpha(T)$. يتم تحليل معدل الانفعال الكلي $\dot{\epsilon}$ إلى مكونات مرنة ولدنة وحرارية: $\dot{\epsilon} = \dot{\epsilon}^{e} + \dot{\epsilon}^{p} + \dot{\epsilon}^{th}$.
تكشف المحاكاة كيف يتحكم قدرة الشعاع وسرعة المسح في نمو الرقبة بين الجسيمات، مما يحدد بشكل مباشر المسامية النهائية. تم إنشاء علاقة ظاهرية بين كثافة الطاقة الحجمية ($E_v = P/(v \cdot d \cdot h)$، حيث $P$ هي القدرة، $v$ هي السرعة، $d$ هو قطر البقعة، $h$ هو تباعد المسارات) والكثافة النسبية، حيث أظهرت اتجاهًا لزيادة التكثيف مع ارتفاع $E_v$، وهو ما يتوافق مع الملاحظات التجريبية في الأدبيات.
النتيجة الأساسية هي تحديد بؤر تركيز الإجهاد الحرجة: (1) مناطق التضيق (الرقبة) للجسيمات المنصهرة جزئيًا، و (2) التقاطعات بين الطبقات المترسبة على التوالي. تعمل هذه المناطق كنقاط ساخنة لتراكم الانفعال اللدن. مجال الإجهادات المتبقية غير متجانس للغاية، حيث توجد إجهادات شدية غالبًا في قلب الرقاب المتصلدة وإجهادات ضغطية في المناطق المحيطة الأكثر برودة.
وصف الرسم البياني (المحاكى): سيظهر مخطط كفافي ثلاثي الأبعاد هيكلاً مساميًا شبكيًا. يتم تمييز رقاب الجسيمات والحدود بين الطبقات باللون الأحمر/البرتقالي، مما يشير إلى إجهاد فون ميزيس مرتفع أو مقدار انفعال لدن مرتفع. سيظهر داخل المسام الكبيرة وواجهة القاعدة باللون الأزرق/الأخضر، مما يشير إلى مستويات إجهاد أقل. ستظهر الشرائح المقطعية التدرج الإجهادي من الطبقة العلوية المسخنة إلى الطبقة السفلية الأكثر برودة.
تؤدي قدرة الشعاع الأعلى عند سرعة ثابتة إلى زيادة حجم حوض الانصهار والتدرجات الحرارية، مما يؤدي إلى درجات حرارة قمة أعلى وإجهادات متبقية أشد. على العكس من ذلك، يمكن أن تؤدي سرعات المسح العالية جدًا إلى انصهار غير كافٍ وترابط ضعيف، ولكنها تقلل أيضًا من الدورات الحرارية وقد تخفض الإجهادات المتبقية. تقترح الدراسة نماذج انحدار تربط $E_v$ بمتوسط الإجهاد المتبقي الحجمي والانفعال اللدن، مما يوفر علاقة كمية بين العملية والبنية والخاصية.
يتم إعطاء تطور حقول الطور لمعامل نظام $\phi$ يمثل الطور الصلب بواسطة معادلة ألين-كان: $$\frac{\partial \phi}{\partial t} = -L \frac{\delta F}{\delta \phi}$$ حيث $L$ هو المعامل الحركي و $F$ هو الدال الحر الكلي الوظيفي الذي يتضمن طاقة التدرج، جهد البئر المزدوج، والحرارة الكامنة. يحلل التحليل الحراري-المرن-اللدن معادلة التوازن: $$\nabla \cdot \boldsymbol{\sigma} + \mathbf{b} = 0$$ حيث $\boldsymbol{\sigma}$ هو موتر إجهاد كوشي و $\mathbf{b}$ هي القوى الجسمية. يتبع التدفق اللدن القاعدة الترابطية $\dot{\epsilon}^{p} = \dot{\lambda} \frac{\partial f}{\partial \sigma}$، حيث $f$ هي دالة الخضوع $f = \sigma_{eq} - \sigma_y(T, \epsilon^{p}) \le 0$.
تقارن الدراسة اتجاهات المسامية المتوقعة بالمحاكاة مقابل كثافة الطاقة بالبيانات التجريبية من عملية SLS لأنظمة مسحوق البوليمر أو المعدن (المستندة إلى الأدبيات). الاتفاق العام يتحقق من قدرة النموذج على التقاط ميكانيكا التكثيف. يتطلب التحقق الكمي من مجالات الإجهاد المتبقية المتوقعة عادةً قياسات حيود الأشعة السينية السنكروترونية أو طريقة الكفاف على عينات مصممة خصيصًا، وهو ما يُقترح كعمل مستقبلي ضروري.
السيناريو: تحسين عملية SLS لزرع فقري من التيتانيوم بسطح مسامي مضبوط لنمو العظم.
تطبيق الإطار:
الرؤية الأساسية
تقدم هذه الورقة حقيقة حاسمة وغالبًا ما يتم تجاهلها: في عملية SLS للمواد المسامية، المحرك الأساسي للفشل ليس المادة السائبة، بل البنية المجهرية الدقيقة. تجسد المحاكاة بشكل رائع كيف أن الإجهاد واللدونة لا يتم توزيعهما بشكل موحد، بل يتم تركيزهما بشكل استراتيجي (ومشكل) في نفس الميزات التي تحدد المسامية - رقاب الجسيمات المتداخلة وواجهات الطبقات. وهذا يقلب تحليل الإجهاد التقليدي للمواد "الكثيفة" رأسًا على عقب.
التسلسل المنطقي
منطق المؤلفين قوي: 1) نمذجة مصدر الحرارة وتتبع تغير الطور (حقول الطور). 2) استخدام ذلك التاريخ الحراري لدفع التشوه الميكانيكي (FEM). 3) تحديد مكان بدء اللدونة وتثبيتها كإجهادات متبقية. 4) ربط هذه النتائج على المستوى المتوسط بمدخلات العملية العيانية (القدرة، السرعة). إنه ارتباط متعدد المقاييس كلاسيكي، تم تنفيذه بدقة عالية لمشكلة مسامية SLS.
نقاط القوة والضعف
نقاط القوة: نهج الميكانيكا المقترن بحقول الطور هو الأحدث ويناسب المشكلة تمامًا. تحديد مناطق التضيق (الرقبة) كبؤر تركيز للإجهاد هو اكتشاف مهم وقابل للتنفيذ. محاولة إنشاء نماذج انحدار للتحكم في العملية عملية للغاية.
نقاط الضعف: الفيل في الغرفة هو بساطة نموذج المادة. استخدام نموذج لدونة J2 القياسي يتجاهل السلوك المعقد المعتمد على المسار للمسحوق شبه المتصلد، والذي قد يتضمن زحفًا واسترخاءً معتمدًا على الوقت خلال العملية نفسها. علاوة على ذلك، بينما يكون الإطار مثيرًا للإعجاب، فإن تكلفته الحسابية على الأرجح تحد من استخدامه إلى عناصر حجمية تمثيلية صغيرة، وليس التنبؤ على مستوى القطعة الكاملة - وهو فجوة يمكن أن تملأها نماذج بديلة للتعلم الآلي، مستوحاة من أعمال مثل تلك الخاصة بـ CycleGAN لنقل النمط في المحاكاة القائمة على الصور.
رؤى قابلة للتنفيذ
لمهندسي العمليات: ركز على التقاطعات بين الطبقات وبين الجسيمات. يجب تصميم المعالجات اللاحقة للعملية (مثل التخمير الحراري) لاستهداف هذه المناطق عالية الإجهاد المحددة والمحصورة، وليس القطعة بأكملها. للمصممين: توفر المحاكاة خريطة لتجنب الأشكال الهندسية الحرجة للإجهاد. عند تصميم الهياكل الشبكية، قد يقوم المرء بتغيير أشكال العقد أو تتابع الطبقات عمدًا بناءً على خرائط الإجهاد هذه. تقدم نماذج الانحدار أداة أولية لاختيار المعاملات لتقليل الإجهاد المتبقي لمسامية مستهدفة.