Аддитивное производство (АП), в частности методы сплавления в порошковом слое (PBF), такие как селективное лазерное спекание (SLS), превратилось из инструмента прототипирования в жизнеспособный метод производства сложных, высокоценных компонентов. Критической проблемой при SLS пористых материалов, таких как используемые для биомедицинских каркасов или функционально-градиентных структур, является возникновение остаточных напряжений и пластических деформаций на уровне порошковых частиц. Эти мезоскопические неоднородности, возникающие из-за локального нагрева, быстрой кристаллизации и межслойного сплавления, существенно влияют на механическую целостность, точность размеров и долговременную работоспособность конечного изделия. В данной работе представлена новая 3D многослойная многодисциплинарная симуляционная схема, которая интегрирует неизотермическое фазово-полевое моделирование с термо-упруго-пластическим анализом для прогнозирования и анализа этих явлений с беспрецедентной детализацией.
Предлагаемая платформа представляет собой тесно связанный многодисциплинарный подход, разработанный для учета сложных взаимодействий во время SLS.
Схема последовательно связывает неизотермическое фазово-полевое моделирование эволюции микроструктуры на основе метода конечных элементов (МКЭ) с последующим термо-упруго-пластическим анализом напряжений. Выходные данные (температурное поле, распределение фаз) с первого этапа служат входными данными и движущей силой для второго. Это позволяет реалистично моделировать зависящие от температуры и фазы свойства материала.
Многопараметрическая фазово-полевая модель отслеживает границу раздела твердое тело-жидкость и коалесценцию порошковых частиц под действием движущегося лазерного источника тепла. Эволюция описывается уравнениями типа Гинзбурга-Ландау с учетом тепловых градиентов и капиллярных сил.
Анализ напряжений использует модель пластичности J2 с изотропным упрочнением. Поведение материала определяется зависящими от температуры модулем Юнга $E(T)$, пределом текучести $\sigma_y(T)$ и коэффициентом теплового расширения $\alpha(T)$. Полная скорость деформации $\dot{\epsilon}$ раскладывается на упругую, пластическую и тепловую составляющие: $\dot{\epsilon} = \dot{\epsilon}^{e} + \dot{\epsilon}^{p} + \dot{\epsilon}^{th}$.
Симуляции показывают, как мощность луча и скорость сканирования контролируют рост перешейков между частицами, напрямую определяя итоговую пористость. Была установлена феноменологическая связь между объемной плотностью энергии ($E_v = P/(v \cdot d \cdot h)$, где $P$ — мощность, $v$ — скорость, $d$ — диаметр пятна, $h$ — шаг сканирования) и относительной плотностью, демонстрирующая тенденцию к увеличению уплотнения с ростом $E_v$, что согласуется с экспериментальными наблюдениями в литературе.
Ключевым результатом является идентификация критических концентраторов напряжений: (1) области перешейков частично расплавленных частиц и (2) стыки между последовательно нанесенными слоями. Эти области являются "горячими точками" для накопления пластической деформации. Поле остаточных напряжений крайне неоднородно: растягивающие напряжения часто обнаруживаются в ядре спеченных перешейков, а сжимающие — в окружающих более холодных областях.
Описание диаграммы (Симуляция): 3D контурный график показывает пористую решетчатую структуру. Перешейки частиц и межслойные границы выделены красным/оранжевым цветом, что указывает на высокое напряжение по Мизесу или величину пластической деформации. Внутренняя часть крупных пор и граница с подложкой будут показаны синим/зеленым цветом, указывая на более низкие уровни напряжений. Поперечные сечения покажут градиент напряжений от нагретого верхнего слоя к более холодному нижнему.
Более высокая мощность луча при постоянной скорости увеличивает размер ванны расплава и тепловые градиенты, что приводит к более высоким пиковым температурам и более серьезным остаточным напряжениям. И наоборот, очень высокие скорости сканирования могут привести к недостаточному расплавлению и плохому сцеплению, но также уменьшают тепловые циклы и могут снизить остаточные напряжения. В исследовании предложены регрессионные модели, связывающие $E_v$ с усредненным по объему остаточным напряжением и пластической деформацией, что дает количественную взаимосвязь "процесс-структура-свойство".
Эволюция фазового поля для параметра порядка $\phi$, представляющего твердую фазу, задается уравнением Аллена-Кана: $$\frac{\partial \phi}{\partial t} = -L \frac{\delta F}{\delta \phi}$$ где $L$ — кинетический коэффициент, а $F$ — полный функционал свободной энергии, включающий градиентную энергию, двухъямный потенциал и скрытую теплоту. Термо-упруго-пластический анализ решает уравнение равновесия: $$\nabla \cdot \boldsymbol{\sigma} + \mathbf{b} = 0$$ где $\boldsymbol{\sigma}$ — тензор напряжений Коши, а $\mathbf{b}$ — массовые силы. Пластическое течение следует ассоциированному правилу $\dot{\epsilon}^{p} = \dot{\lambda} \frac{\partial f}{\partial \sigma}$, где $f$ — функция текучести $f = \sigma_{eq} - \sigma_y(T, \epsilon^{p}) \le 0$.
В исследовании сравниваются тренды "пористость vs. плотность энергии", предсказанные симуляцией, с экспериментальными данными по SLS полимерных или металлических порошковых систем (на основе литературы). Общее соответствие подтверждает способность модели улавливать механику уплотнения. Количественная валидация предсказанных полей остаточных напряжений обычно потребовала бы измерений методом синхротронной рентгеновской дифракции или контурным методом на специально изготовленных образцах, что предлагается в качестве необходимой будущей работы.
Сценарий: Оптимизация процесса SLS для титанового спинального имплантата с контролируемой пористой поверхностью для врастания кости.
Применение платформы:
Основной вывод
Эта статья раскрывает важную, часто упускаемую из виду истину: в пористом SLS основной причиной разрушения является не объемный материал, а микроархитектура. Симуляция блестяще визуализирует, как напряжения и пластичность распределены не равномерно, а стратегически (и проблематично) концентрируются именно на тех элементах, которые определяют пористость — межчастичных перешейках и межслойных границах. Это переворачивает с ног на голову традиционный анализ напряжений для "плотного материала".
Логическая последовательность
Логика авторов убедительна: 1) Моделирование источника тепла и отслеживание фазового перехода (Фазово-полевая модель). 2) Использование этой термической истории для расчета механической деформации (МКЭ). 3) Определение мест зарождения пластичности и ее фиксации в виде остаточных напряжений. 4) Корреляция этих мезоскопических результатов с макроскопическими технологическими параметрами (Мощность, Скорость). Это классическая многоуровневая связь, выполненная с высокой точностью для проблемы пористости в SLS.
Сильные стороны и недостатки
Сильные стороны: Связанный фазово-полевой и механический подход является передовым и идеально подходит для решения задачи. Идентификация зон перешейков как концентраторов напряжений — значимое и практически применимое открытие. Попытка создания регрессионных моделей для управления процессом весьма практична.
Недостатки: "Слон в комнате" — это упрощенность материальной модели. Использование стандартной модели пластичности J2 игнорирует сложное, зависящее от пути поведение полуспеченного порошка, которое может включать ползучесть и зависящую от времени релаксацию в самом процессе. Более того, хотя платформа впечатляет, ее вычислительная стоимость, вероятно, ограничивает применение небольшими представительными объемными элементами, а не прогнозированием в масштабе всего изделия — этот пробел в будущем могли бы заполнить суррогатные модели на основе машинного обучения, вдохновленные работами, такими как CycleGAN для переноса стиля в имитациях на основе изображений.
Практические рекомендации
Для технологов: Сосредоточьтесь на межслойных и межчастичных соединениях. Методы последующей обработки (например, термический отжиг) должны быть разработаны для воздействия именно на эти специфические, ограниченные зоны высоких напряжений, а не на всю деталь целиком. Для конструкторов: Симуляция предоставляет карту для того, чтобы избегать критических с точки зрения напряжений геометрий. При проектировании решетчатых структур можно намеренно изменять геометрию узлов или смещение слоев на основе этих карт напряжений. Регрессионные модели предлагают инструмент для первичного выбора параметров с целью минимизации остаточных напряжений при заданной пористости.