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　　工學(xué)院劉謀斌課題組在金屬增材制造工藝過程模擬與產(chǎn)品缺陷預(yù)測方面取得重要進(jìn)展

　　增材制造(即“3D打印”)減少了傳統(tǒng)制造工藝在優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新及復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造上的困難，為下一代工業(yè)革命奠定了基礎(chǔ)。模擬與仿真可以提升增材制造產(chǎn)能，縮短材料與產(chǎn)品研發(fā)周期，預(yù)測及修正產(chǎn)品瑕疵，降低生產(chǎn)成本，在增材制造過程中起著日益重要的作用。美國、德國等制造業(yè)大國已經(jīng)將增材制造模擬與仿真技術(shù)及軟件的研發(fā)作為增強(qiáng)其在先進(jìn)制造領(lǐng)域全球競爭力的主要途徑，而我國面臨增材制造關(guān)鍵算法不足和工藝軟件缺失的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)。

　　金屬粉末增材制造是3D打印技術(shù)的一個(gè)主要分支，已經(jīng)被廣泛運(yùn)用在航空航天、汽車及生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。其主要工藝過程包括金屬粉末的輸送或鋪放，以及激光等高能量源作用下粉床的熔融和快速凝固這兩個(gè)階段循環(huán)乃至最后成形的過程，涉及的材料參數(shù)與工藝參數(shù)眾多(如金屬粉末的大小、形態(tài)及分布;光源強(qiáng)度、半徑、掃描速度及掃描策略等)，難以僅通過實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品性能。現(xiàn)有的算法與軟件一般不能考慮輸粉過程中金屬粉末和環(huán)境(保護(hù)氣體)的相互作用，也難以兼顧粉床熔融及凝固過程中的多尺度、多相流動(dòng)與傳熱等關(guān)鍵科學(xué)問題，因此不能模擬金屬增材制造真實(shí)過程，難以復(fù)現(xiàn)球化、局部熔化、未融合等現(xiàn)象，也難以預(yù)測增材制造產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷(如空洞、氣泡等)。

　　最近，北京大學(xué)工學(xué)院劉謀斌課題組(先進(jìn)計(jì)算與多介質(zhì)耦合力學(xué))在金屬增材制造工藝過程模擬與產(chǎn)品缺陷預(yù)測方面取得系列重要研究進(jìn)展，提出了原創(chuàng)算法，發(fā)展了自主可控的一體化模擬技術(shù)，從理論上建立了材料物性及工藝參數(shù)與增材制造產(chǎn)品缺陷的關(guān)聯(lián)。所發(fā)展的算法、求解器和無量綱數(shù)已經(jīng)應(yīng)用于某航天科技重要部件增材制造工藝過程模擬與缺陷分析，并能推廣至其他粉末冶金相關(guān)領(lǐng)域。

　　首先，針對(duì)金屬粉末輸送氣固顆粒兩相流動(dòng)，課題組原創(chuàng)性地發(fā)展了一種半解析耦合算法(Semi-resolved CFD-DEM)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜區(qū)域中金屬顆粒與外部氣體的雙向完全耦合作用(圖1)，突破了傳統(tǒng)解析耦合算法(Resolved CFD-DEM)效率低和傳統(tǒng)非解析耦合算法(Unresolved CFD-DEM)精度低的限制。相關(guān)工作發(fā)表在計(jì)算流體力學(xué)著名期刊Journal of Computational Physics 上(2019，384：151–169)，第一作者為北京大學(xué)工學(xué)院2017級(jí)碩士生王澤坤(已確定碩轉(zhuǎn)博)，北京大學(xué)工學(xué)院2015級(jí)本科生滕郁駿(已確定赴University of Pennsylvania攻讀博士)為共同第一作者。

　　其次，在粉末尺度(powder scale)上發(fā)展了激光作用下金屬粉床熔融與凝固的求解器，考慮了多相流動(dòng)、傳熱、相變及熱應(yīng)力等關(guān)鍵問題，引入了最新的界面處理算法追蹤并重構(gòu)熔化的液體金屬和固態(tài)金屬的界面，并作為下次鋪粉的邊界，從而實(shí)現(xiàn)了金屬增材制造從送粉/鋪粉到熔融凝固過程的一體化模擬。該求解器可以復(fù)現(xiàn)金屬增材制造球化、局部熔化、未融合等傳統(tǒng)商業(yè)軟件難以模擬的現(xiàn)象，并能夠用于研究粉床溫度分布，以及預(yù)測增材制造產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷(如空洞、氣泡等)，是目前國際上少數(shù)幾個(gè)能實(shí)現(xiàn)金屬增材制造多道多層工藝過程模擬的求解器之一。相關(guān)工作發(fā)表在計(jì)算力學(xué)著名期刊Computational Mechanics上(2019，63:649–661)，第一作者為北京大學(xué)工學(xué)院研究生王澤坤。

　　其后，課題組通過對(duì)光源參數(shù)及材料物性參數(shù)進(jìn)行了無量綱分析，結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)觀測，提出了若干重要的無量綱數(shù)，消除了激光參數(shù)及材料參數(shù)的不同對(duì)模擬結(jié)果的不同影響，是決定成型試件的孔隙率及激光熔道尺寸的關(guān)鍵參數(shù)。例如，所提出的等效多道蒸發(fā)率，可以定量描述不同材料在不同激光參數(shù)下相同的試件孔隙率變化行為，并找到了一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間：即等效多道蒸發(fā)率約處于0.5和0.8之間時(shí)，成型試件的孔隙率可以保持在一個(gè)穩(wěn)定的最低點(diǎn)(如圖3及圖4)，從而有望實(shí)現(xiàn)最佳的產(chǎn)品性能，這對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有著開拓性、指導(dǎo)性的意義。該工作近期在線發(fā)表于材料加工與成形領(lǐng)域著名期刊Journal of Materials Processing Technology上(doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.05.019)，第一作者為北京大學(xué)工學(xué)院研究生王澤坤。

　　該項(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(高通量多尺度材料模擬與性能優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái))的支持。王澤坤也因?yàn)榻饘僭霾闹圃旃に囘^程(激光選區(qū)熔融)模擬相關(guān)的工作榮獲2018年第13屆OpenFoam全球開發(fā)者大會(huì)最佳學(xué)生報(bào)告獎(jiǎng)(圖5)。

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