Pembuatan Aditif (AM), terutamanya teknik Pelakuran Katil Serbuk (PBF) seperti Sinter Laser Terpilih (SLS), telah beralih daripada alat prototaip kepada kaedah pengeluaran yang boleh dilaksanakan untuk komponen kompleks bernilai tinggi. Cabaran kritikal dalam SLS bahan berliang, seperti yang digunakan untuk perancah bioperubatan atau struktur bergred berfungsi, ialah pembentukan tegasan baki dan terikan plastik pada skala serbuk. Ketakseragaman mesoskopik ini, yang timbul daripada pemanasan setempat, pemejalan pantas, dan peleburan antara lapisan, sangat mempengaruhi integriti mekanikal, ketepatan dimensi, dan prestasi jangka panjang bahagian akhir. Kajian ini membentangkan skema simulasi multifizik 3D berbilang lapisan yang baharu yang menggabungkan pemodelan medan fasa bukan isoterma dengan analisis termo-elasto-plastik untuk meramal dan menganalisis fenomena ini dengan terperinci yang belum pernah ada sebelum ini.
Rangka kerja yang dicadangkan ialah pendekatan multifizik yang digandingkan rapat, direka untuk menangkap interaksi kompleks semasa SLS.
Skema ini menggandingkan secara berurutan simulasi medan fasa bukan isoterma berasaskan Kaedah Unsur Terhingga (FEM) untuk evolusi mikrostruktur dengan analisis tegasan termo-elasto-plastik yang berikutnya. Output (medan suhu, taburan fasa) daripada peringkat pertama berfungsi sebagai input dan daya penggerak untuk yang kedua. Ini membolehkan pemodelan sifat bahan yang bergantung pada suhu dan fasa secara realistik.
Model medan fasa berparameter tertib pelbagai mengesan antara muka pepejal-cecair dan penggabungan zarah serbuk di bawah sumber haba laser yang bergerak. Evolusi ini dikawal oleh persamaan jenis Ginzburg-Landau, dengan mengambil kira kecerunan terma dan daya kapilari.
Analisis tegasan menggunakan model keplastikan J2 dengan pengerasan isotropik. Tingkah laku bahan ditakrifkan oleh modulus Young bergantung suhu $E(T)$, kekuatan alah $\sigma_y(T)$, dan pekali pengembangan terma $\alpha(T)$. Kadar terikan total $\dot{\epsilon}$ diuraikan kepada komponen elastik, plastik, dan terma: $\dot{\epsilon} = \dot{\epsilon}^{e} + \dot{\epsilon}^{p} + \dot{\epsilon}^{th}$.
Simulasi mendedahkan bagaimana kuasa pancaran dan kelajuan imbasan mengawal pertumbuhan leher antara zarah, secara langsung menentukan keliangan akhir. Hubungan fenomenologi antara ketumpatan tenaga isipadu ($E_v = P/(v \cdot d \cdot h)$, di mana $P$ ialah kuasa, $v$ ialah kelajuan, $d$ ialah diameter titik, $h$ ialah jarak penetasan) dan ketumpatan relatif telah ditubuhkan, menunjukkan trend peningkatan pemadatan dengan $E_v$ yang lebih tinggi, selaras dengan pemerhatian eksperimen dalam literatur.
Penemuan teras ialah pengenalpastian pemusat tegasan kritikal: (1) kawasan leher zarah yang separa cair, dan (2) persimpangan antara lapisan yang didepositkan berturut-turut. Kawasan ini bertindak sebagai titik panas untuk pengumpulan terikan plastik. Medan tegasan baki sangat heterogen, dengan tegasan tegangan sering ditemui di teras leher yang disinter dan tegasan mampatan di kawasan sekeliling yang lebih sejuk.
Penerangan Carta (Disimulasikan): Plot kontur 3D akan menunjukkan struktur kekisi berliang. Leher zarah dan sempadan antara lapisan diserlahkan dalam warna merah/jingga, menunjukkan magnitud tegasan von Mises atau terikan plastik yang tinggi. Bahagian dalam liang besar dan antara muka substrat akan kelihatan dalam warna biru/hijau, menunjukkan tahap tegasan yang lebih rendah. Hirisan keratan rentas akan menunjukkan kecerunan tegasan dari lapisan atas yang dipanaskan ke bahagian bawah yang lebih sejuk.
Kuasa pancaran yang lebih tinggi pada kelajuan malar meningkatkan saiz kolam lebur dan kecerunan terma, membawa kepada suhu puncak yang lebih tinggi dan tegasan baki yang lebih teruk. Sebaliknya, kelajuan imbasan yang sangat tinggi boleh menyebabkan peleburan tidak mencukupi dan ikatan yang lemah, tetapi juga mengurangkan kitaran terma dan mungkin menurunkan tegasan baki. Kajian ini mencadangkan model regresi yang menghubungkan $E_v$ kepada tegasan baki purata isipadu dan terikan plastik, menyediakan hubungan kuantitatif proses-struktur-sifat.
Evolusi medan fasa untuk parameter tertib $\phi$ yang mewakili fasa pepejal diberikan oleh persamaan Allen-Cahn: $$\frac{\partial \phi}{\partial t} = -L \frac{\delta F}{\delta \phi}$$ di mana $L$ ialah pekali kinetik dan $F$ ialah fungsi tenaga bebas total yang menggabungkan tenaga kecerunan, potensi perigi berganda, dan haba pendam. Analisis termo-elasto-plastik menyelesaikan persamaan keseimbangan: $$\nabla \cdot \boldsymbol{\sigma} + \mathbf{b} = 0$$ dengan $\boldsymbol{\sigma}$ sebagai tensor tegasan Cauchy dan $\mathbf{b}$ sebagai daya badan. Aliran plastik mengikut peraturan asosiatif $\dot{\epsilon}^{p} = \dot{\lambda} \frac{\partial f}{\partial \sigma}$, di mana $f$ ialah fungsi alah $f = \sigma_{eq} - \sigma_y(T, \epsilon^{p}) \le 0$.
Kajian ini membandingkan trend keliangan lwn. ketumpatan tenaga yang diramalkan simulasi dengan data eksperimen daripada SLS sistem serbuk polimer atau logam (berasaskan literatur). Persetujuan umum mengesahkan keupayaan model untuk menangkap mekanik pemadatan. Pengesahan kuantitatif medan tegasan baki yang diramalkan biasanya memerlukan pembelauan sinar-X sinkrotron atau pengukuran kaedah kontur pada sampel yang dibina khas, yang dicadangkan sebagai kerja masa depan yang perlu.
Skenario: Mengoptimumkan proses SLS untuk implan tulang belakang titanium dengan permukaan berliang terkawal untuk pertumbuhan tulang.
Aplikasi Rangka Kerja:
Intipati Teras
Kertas kerja ini menyampaikan satu kebenaran penting yang sering diabaikan: dalam SLS berliang, pemacu utama kegagalan bukanlah bahan pukal, tetapi mikro-arkitektur. Simulasi ini menggambarkan dengan cemerlang bagaimana tegasan dan keplastikan tidak diagihkan secara seragam tetapi tertumpu secara strategik (dan bermasalah) pada ciri-ciri yang mentakrifkan keliangan—leher antara zarah dan antara muka lapisan. Ini membalikkan analisis tegasan "bahan padat" konvensional.
Aliran Logik
Logik penulis adalah kukuh: 1) Modelkan sumber haba dan jejaki perubahan fasa (Medan Fasa). 2) Gunakan sejarah terma itu untuk mendorong ubah bentuk mekanikal (FEM). 3) Kenal pasti di mana keplastikan bermula dan terkunci sebagai tegasan baki. 4) Hubungkan penemuan mesoskopik ini dengan input proses makroskopik (Kuasa, Kelajuan). Ia adalah hubungan pelbagai skala klasik, dilaksanakan dengan ketepatan tinggi untuk masalah keliangan SLS.
Kekuatan & Kelemahan
Kekuatan: Pendekatan gandingan medan fasa-mekanik adalah terkini dan sangat sesuai untuk masalah ini. Mengenal pasti zon leher sebagai pemusat tegasan adalah penemuan yang signifikan dan boleh ditindak. Percubaan untuk mencipta model regresi untuk kawalan proses adalah sangat praktikal.
Kelemahan: Isu utama ialah kesederhanaan model bahan. Menggunakan model keplastikan J2 standard mengabaikan tingkah laku kompleks serbuk separa sinter yang bergantung pada laluan, yang mungkin melibatkan rayapan dan relaksasi bergantung masa semasa proses itu sendiri. Tambahan pula, walaupun rangka kerja ini mengagumkan, kos pengkomputerannya mungkin menghadkannya kepada unsur isipadu perwakilan kecil, bukan ramalan skala bahagian penuh—jurang yang boleh diisi oleh pengganti pembelajaran mesin, diilhamkan oleh karya seperti CycleGAN untuk pemindahan gaya dalam simulasi berasaskan imej.
Intipati Boleh Tindak
Untuk jurutera proses: Tumpukan pada persimpangan antara lapisan dan antara zarah. Rawatan pasca-proses (contohnya, penyepuhlindapan terma) mesti direka untuk mensasarkan zon tegasan tinggi yang spesifik dan terhad ini, bukan sekadar keseluruhan bahagian. Untuk pereka: Simulasi menyediakan peta untuk mengelakkan geometri tegasan kritikal. Apabila mereka bentuk struktur kekisi, seseorang mungkin sengaja mengubah geometri nod atau susunan lapisan berdasarkan peta tegasan ini. Model regresi menawarkan alat lulus pertama untuk pemilihan parameter untuk meminimumkan tegasan baki bagi keliangan sasaran.