Analisis Tegasan Baki Elasto-Plastik dalam Bahan Berliang Hasil Sinteran Laser Selektif

Kandungan

1. Pengenalan

Pembuatan Tambahan (AM), terutamanya teknik Pelakuran Katil Serbuk (PBF) seperti Sinteran Laser Selektif (SLS), telah beralih daripada alat prototaip khusus kepada kaedah pengeluaran arus perdana yang mampu menghasilkan komponen kompleks dan bernilai tinggi. Cabaran kritikal dalam SLS, terutamanya untuk bahan berliang yang digunakan dalam perancah bioperubatan atau komponen berfungsi, ialah pembentukan tegasan baki dan terikan plastik pada peringkat mikroskopik, iaitu skala serbuk. Tegasan ini timbul daripada kecerunan haba setempat yang kompleks, transformasi fasa (lebur separa/pemejalan), dan fenomena peleburan antara lapisan. Ia memberi pengaruh yang signifikan terhadap ketepatan dimensi, integriti mekanikal, dan prestasi jangka panjang komponen akhir. Kajian ini membentangkan skema simulasi multifizik berbilang lapisan 3D beresolusi serbuk yang baharu untuk menjelaskan evolusi tegasan dan terikan ini, memberikan pemahaman asas yang menghubungkan parameter pemprosesan dengan keadaan akhir bahan.

2. Metodologi

Teras penyelidikan ini ialah kerangka simulasi multifizik gandingan rapat yang direka untuk menangkap proses SLS pada skala mesoskopik (serbuk).

2.1. Model Medan Fasa Termo-Struktur Berbilang Lapisan 3D

Model medan fasa bukan isoterma digunakan untuk mensimulasikan evolusi mikrostruktur serbuk semasa pengimbasan laser. Model ini menjejaki antara muka fasa cecair/pepejal dan keliangan/pemadatan yang terhasil tanpa menjejaki antara muka secara eksplisit. Ia mengambil kira morfologi katil serbuk, konduksi haba, pelepasan haba pendam, dan penyerapan tenaga laser.

2.2. Kerangka Simulasi Termo-Elasto-Plastik

Berdasarkan sejarah terma dan mikrostruktur daripada simulasi medan fasa, analisis Kaedah Unsur Terhingga (FEM) termo-elasto-plastik dijalankan. Kerangka ini menggabungkan sifat bahan yang bergantung pada suhu dan fasa (cth., modulus Young, kekuatan alah, pekali pengembangan terma) untuk mengira evolusi tegasan dan terikan. Deformasi plastik dimodelkan untuk menangkap pengumpulan terikan kekal.

2.3. Integrasi FEM dan Medan Fasa

Dua modul simulasi ini disepadukan dengan lancar. Medan suhu sementara dan maklumat fasa (pepejal/cecair) daripada simulasi medan fasa pada setiap langkah masa berfungsi sebagai input langsung kepada penyelesai FEM termo-elasto-plastik. Gandingan sehala ini memberikan gambaran yang cekap dari segi pengiraan tetapi terperinci secara fizikal tentang asal usul tegasan semasa kitaran terma SLS yang kompleks.

3. Keputusan dan Perbincangan

3.1. Evolusi Tegasan dan Terikan pada Skala Mesoskopik

Simulasi menyediakan peta tegasan dan terikan plastik beresolusi tinggi dan bergantung masa dalam katil serbuk yang sedang berkembang. Keputusan menunjukkan bahawa medan tegasan adalah sangat heterogen, mencerminkan geometri serbuk asas dan sejarah terma.

3.2. Kesan Parameter Pemprosesan

Model dinilai merentasi spektrum parameter kuasa pancaran dan kelajuan imbasan (secara efektif mengubah ketumpatan tenaga isipadu). Penemuan utama termasuk:

• Input Tenaga Tinggi: Membawa kepada pemadatan yang lebih besar (keliangan lebih rendah) tetapi juga mendorong suhu puncak yang lebih tinggi dan kecerunan terma yang lebih curam, mengakibatkan peningkatan magnitud tegasan tegangan baki dan terikan plastik.
• Input Tenaga Rendah: Menghasilkan keliangan yang lebih tinggi dan ikatan antara zarah yang lebih lemah. Walaupun tegasan pukal mungkin lebih rendah, penumpuan tegasan yang teruk boleh berlaku pada leher zarah yang cair separa, bertindak sebagai tapak berpotensi untuk permulaan retak.

3.3. Mekanisme Penumpuan Tegasan

Kajian mengenal pasti dua tapak utama untuk penumpuan tegasan:

1. Kawasan Leher Zarah Cair Separa: Luas keratan rentas yang kecil dan kekangan daripada bahan sekeliling mencipta pengangkat tegasan semula jadi.
2. Persimpangan Antara Lapisan Berbeza: Pemanasan semula dan kekangan yang dikenakan oleh lapisan yang baru didepositkan pada bahan yang telah dipadatkan sebelum ini membawa kepada keadaan tegasan yang kompleks, selalunya mengakibatkan tegasan tegangan baki di bahagian atas lapisan sebelumnya.

Pengumpulan terikan plastik di tapak-tapak ini adalah punca langsung pembentukan tegasan baki dan boleh membawa kepada herotan makroskopik atau pengelupasan lapisan.

4. Wawasan Utama

• Tegasan baki dalam bahan berliang SLS secara semula jadi adalah mesoskopik dan bergantung pada sejarah proses.
• Kawasan leher antara zarah dan sempadan antara lapisan adalah zon kritikal yang cenderung gagal disebabkan oleh penumpuan tegasan.
• Wujud pertukaran antara pemadatan (keliangan) dan magnitud tegasan baki, yang dikawal oleh input tenaga pancaran.
• Pendekatan medan fasa/FEM bersepadu menyediakan alat ramalan yang menghubungkan parameter laser (P, v) kepada keadaan tegasan akhir, membolehkan pengoptimuman proses.

5. Butiran Teknikal dan Formulasi Matematik

Evolusi medan fasa dikawal oleh persamaan Allen-Cahn dengan daya penggerak bergantung suhu: $$\frac{\partial \phi}{\partial t} = -M \frac{\delta F}{\delta \phi}$$ di mana $\phi$ ialah pemboleh ubah medan fasa (0 untuk pepejal, 1 untuk cecair), $M$ ialah mobiliti, dan $F$ ialah fungsi tenaga bebas total yang menggabungkan tenaga kecerunan, potensi perigi berganda, dan haba pendam. Pemindahan haba diselesaikan melalui: $$\rho C_p \frac{\partial T}{\partial t} = \nabla \cdot (k \nabla T) + Q_{laser} + L \frac{\partial \phi}{\partial t}$$ di mana $\rho$ ialah ketumpatan, $C_p$ muatan haba, $k$ kekonduksian terma, $Q_{laser}$ sumber haba laser, dan $L$ haba pendam. Keseimbangan mekanikal diberikan oleh: $$\nabla \cdot \boldsymbol{\sigma} = 0$$ dengan tegasan $\boldsymbol{\sigma}$ dikira daripada model konstitutif termo-elasto-plastik: $\boldsymbol{\sigma} = \mathbf{C}(T, \phi) : (\boldsymbol{\epsilon}_{total} - \boldsymbol{\epsilon}_{th} - \boldsymbol{\epsilon}_{pl})$, di mana $\mathbf{C}$ ialah tensor kekakuan, $\boldsymbol{\epsilon}_{th}$ ialah terikan terma, dan $\boldsymbol{\epsilon}_{pl}$ ialah terikan plastik.

6. Keputusan Eksperimen dan Penerangan Carta

Carta Output Simulasi (Diterangkan):

• Rajah 1: Medan Suhu & Fasa Sementara: Keratan rentas 3D menunjukkan evolusi kolam lebur dan kontur suhu merentasi berbilang lapisan serbuk mengikut masa.
• Rajah 2: Taburan Tegasan Baki ($\sigma_{xx}$): Penghasilan volumetrik yang menyerlahkan tegasan tegangan tinggi (merah) pada leher zarah dan antara muka lapisan, dan tegasan mampatan (biru) di kawasan yang lebih sejuk dan telah dipadatkan.
• Rajah 3: Peta Terikan Plastik Terkumpul ($\epsilon_{pl}^{eq}$): Menunjukkan zon deformasi plastik setempat yang bertepatan dengan tapak penumpuan tegasan.
• Rajah 4: Keliangan & Tegasan Baki Maksimum lwn. Ketumpatan Tenaga Isipadu: Plot serakan dengan garis tren. Ia menunjukkan hubungan songsang antara keliangan dan ketumpatan tenaga, dan hubungan langsung, bukan linear antara tegasan baki puncak dan ketumpatan tenaga.
• Rajah 5: Padanan Model Regresi: Menunjukkan persamaan fenomenologi yang dicadangkan (cth., $\sigma_{res} = A \cdot E_v^B + C$) yang memadankan titik data simulasi untuk tegasan baki dan terikan plastik sebagai fungsi input tenaga $E_v$.

7. Kerangka Analisis: Contoh Kes

Kes: Mengoptimumkan parameter SLS untuk perancah titanium berliang.

1. Objektif: Mencapai keliangan 50% sambil meminimumkan tegasan baki untuk mengelakkan herotan dan meningkatkan hayat lesu.
2. Input: Taburan saiz serbuk, sifat bahan Ti-6Al-4V, geometri CAD perancah.
3. Aplikasi Kerangka:
   • Jalankan simulasi bersepadu untuk unsur isipadu perwakilan (RVE) katil serbuk untuk pasangan (Kuasa Laser, Kelajuan Imbasan) yang berbeza: (P1,v1), (P2,v2), ...
   • Ekstrak untuk setiap larian: Keliangan akhir, tegasan baki von Mises maksimum, dan taburan ruang terikan plastik.
   • Plot keputusan pada peta proses (Kuasa lwn. Kelajuan), dengan kontur untuk keliangan dan tegasan.
4. Output: Kenal pasti tetingkap proses "titik optimum" di mana kontur keliangan 50% bersilang dengan kawasan tegasan baki terendah. Gabungan (P*, v*) ini ialah set parameter yang disyorkan.

Nota: Ini ialah gelung pengoptimuman berasaskan simulasi; tiada kod eksplisit disediakan kerana kerangka ini ialah suite multifizik proprietari/kompleks.

8. Prospek Aplikasi dan Hala Tuju Masa Depan

Aplikasi Segera:

• Pengoptimuman Proses untuk Implan Bioperubatan: Mereka bentuk parameter SLS untuk perancah tulang dengan keliangan tersuai dan tegasan baki diminimumkan untuk meningkatkan osseointegrasi dan kestabilan mekanikal.
• Jaminan Kualiti & Ramalan: Menggunakan simulasi sebagai kembar digital untuk meramalkan titik panas tegasan dan lokasi kegagalan berpotensi dalam komponen kritikal (cth., struktur kekisi aeroangkasa).

Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:

• Pemodelan Pelbagai Skala: Menggandingkan model mesoskopik ini dengan model termo-mekanikal skala bahagian makroskopik untuk meramalkan herotan global.
• Menggabungkan Fizik Tambahan: Mengintegrasikan dinamik bendalir untuk aliran kolam lebur dalam SLM, atau memodelkan transformasi fasa (cth., martensit dalam keluli) yang mendorong keplastikan teraruh transformasi (TRIP).
• Peningkatan Pembelajaran Mesin: Menggunakan data simulasi untuk melatih model ganti (cth., rangkaian neural) untuk pengoptimuman parameter ultra-pantas, serupa dengan pendekatan yang digunakan dalam informatika bahan. Sumber seperti pangkalan data Materials Project boleh memaklumkan input sifat bahan.
• Pengesahan Eksperimen dengan Teknik Beresolusi Tinggi: Mengkorelasi simulasi dengan pengukuran daripada pembelauan sinar-X sinkrotron atau korelasi imej digital (DIC) untuk pengesahan langsung medan tegasan/terikan yang diramalkan.

9. Rujukan

1. Mercelis, P., & Kruth, J. P. (2006). Residual stresses in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid Prototyping Journal.
2. King, W. E., et al. (2015). Laser powder bed fusion additive manufacturing of metals; physics, computational, and materials challenges. Applied Physics Reviews.
3. Khorasani, A. M., et al. (2022). A review of residual stress in metal additive manufacturing: mechanisms, measurement, and modeling. Journal of Materials Research and Technology.
4. Zhu, Y., et al. (2019). Phase-field modeling of microstructure evolution in additive manufacturing. Annual Review of Materials Research.
5. National Institute of Standards and Technology (NIST). (2022). Additive Manufacturing Metrology. [Online] Available: https://www.nist.gov/amo/additive-manufacturing-metrology
6. Isola, P., Zhu, J.-Y., Zhou, T., & Efros, A. A. (2017). Image-to-Image Translation with Conditional Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). (Dirujuk sebagai contoh kerangka berkuasa, berasaskan data dalam penyelidikan pengiraan).

10. Analisis Asal: Perspektif Industri

Wawasan Teras: Kertas ini bukan sekadar satu lagi kajian simulasi tambahan; ia adalah serangan sasaran pada teras "kotak hitam" SLS untuk bahan berliang. Penulis mengenal pasti dengan betul bahawa syaitan sebenar terletak pada butiran mesoskopik—skala serbuk—di mana kecerunan haba paling tajam dan tingkah laku bahan paling tidak linear. Pendekatan medan fasa/FEM bersepadu mereka ialah kerangka pragmatik dan berkuasa untuk menjelaskan asal usul tegasan baki, bergerak melangkaui penerangan kualitatif kepada ramalan kuantitatif yang bergantung pada parameter. Ini adalah penting kerana, seperti yang ditekankan oleh program metrologi AM NIST, keupayaan ramalan adalah kunci untuk melayakkan bahagian AM untuk aplikasi kritikal.

Aliran Logik: Logiknya kukuh: 1) Tangkap evolusi mikrostruktur (Medan Fasa), 2) Kenakan sejarah terma yang terhasil pada model mekanikal (FEM), 3) Ekstrak tegasan/terikan. Gandingan sehala ialah kompromi bijak antara kesetiaan dan kos pengiraan. Aliran daripada mekanisme (penumpuan tegasan leher/lapisan) kepada akibat (pengumpulan terikan plastik) kepada kesan makro (herotan) diartikulasikan dengan jelas dan disokong oleh keputusan visual mereka.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan: Aspek beresolusi serbuk, berbilang lapisan 3D adalah langkah yang signifikan ke hadapan berbanding model 2D atau trek tunggal biasa. Pengenalpastian tapak kegagalan spesifik (leher, lapisan) memberikan maklumat boleh tindak langsung. Percubaan untuk mencipta model regresi daripada data simulasi adalah terpuji dan menunjuk ke arah kotak alat empirikal yang dimaklumkan oleh simulasi. Kelemahan: Gajah dalam bilik ialah kekurangan pengesahan eksperimen langsung, kuantitatif terhadap medan tegasan baki yang diukur—jurang yang biasa tetapi kritikal dalam kertas pengiraan. Ketepatan model bergantung pada sifat bahan input (bergantung suhu dan fasa), yang terkenal sukar diperoleh untuk keadaan separa pepejal. Tambahan pula, andaian pembungkusan katil serbuk yang sempurna dan penyerapan laser teridealkan mungkin mengaburi kebolehubahan proses dunia sebenar. Berbanding dengan kuasa penjana, berasaskan data kerangka seperti CycleGAN (Isola et al., 2017) dalam penglihatan komputer, model berasaskan fizik ini lebih terkekang tetapi menawarkan pemahaman kausal yang lebih mendalam.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk pengamal industri dan penyelidik:

1. Tumpu pada Strategi Antara Lapisan: Penemuan kertas ini menuntut inovasi dalam strategi imbasan dan kawalan suhu antara lapisan yang direka khusus untuk mengurangkan tegasan pada persimpangan lapisan.
2. Gunakan sebagai Penapis Pembangunan Proses: Sebelum DOE fizikal yang mahal, gunakan kerangka simulasi ini untuk mengecilkan ruang parameter (P, v) kepada kawasan yang menjanjikan yang mengimbangi keliangan dan tegasan.
3. Keutamaan Penjanaan Data Bahan: Labur dalam pencirian sifat bergantung suhu, terutamanya sekitar takat lebur. Ini adalah faktor tunggal terbesar yang mengehadkan ketepatan ramalan semua model sedemikian.
4. Penyelidikan Langkah Seterusnya: Langkah logik seterusnya ialah menggunakan output model ini—medan tegasan baki—sebagai keadaan awal untuk simulasi lesu atau patah untuk meramalkan hayat bahagian secara langsung, menutup gelung reka bentuk daripada proses kepada prestasi.

Kesimpulannya, kerja ini menyediakan lensa yang canggih dan sangat berguna ke dalam proses SLS. Nilai sebenarnya akan dibuka apabila ramalannya disahkan dengan teliti dan kerangkanya diperluaskan untuk merangkumi lebih banyak sistem bahan dan digandingkan dengan model skala lebih tinggi, membuka jalan untuk AM yang benar-benar ramalan dan boleh dipercayai bagi komponen berfungsi berliang.