增材制造钛合金等效弹性张量的细观力学建模与实验研究 ...l 【焦点 l 模拟、AI】

3D科学谷洞察

增材制造（AM）多晶体材料的微观结构研究主要包括： 织构（Texture）：织构是指晶体内部晶粒的取向分布。在多晶体材料中，晶粒的取向分布会影响材料的各向异性。例如，某些方向的晶粒排列可能更有利于材料在特定方向上的力学性能表现。 孔隙（Porosity）：孔隙是材料内部的微小空洞，其存在会显著影响材料的力学性能。孔隙率（孔隙的体积分数）和孔隙的形态（如形状、大小、分布）是关键因素。 晶粒尺寸（Grain Size）：晶粒的大小和分布也会影响材料的力学性能。较小的晶粒尺寸通常会提高材料的强度，但可能会降低其韧性。 相变行为（Phase Transformation）：某些材料在加工过程中会发生相变，这会影响材料的微观结构和力学性能。

理解微观结构与宏观力学性能之间的关系对于优化增材制造工艺参数、设计高性能材料具有重要意义。”

增材制造钛合金等效弹性张量的

细观力学建模与实验研究

谭若涵1宋永锋1,2陈超3李丹3成庶1李雄兵1

1.中南大学交通运输工程学院2.广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室3.中南大学粉末冶金研究院

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

孔隙和织构均为增材制造多晶体金属的重要特征，但已有的细观力学模型无法研究2者的耦合作用对材料力学性能的影响机理。因此，本工作构建了双相金属材料改进的Mori-Tanaka （modified Mori-Tanaka,MMT）模型，在此基础上预测增材制造（AM） Ti-6Al-4V合金的等效弹性张量，进而探究AM多晶体材料的微观结构对材料宏观力学性能的影响规律。本模型结合了传统MT模型和微分法，可综合分析各向异性多晶体织构和孔隙2个耦合因素与宏观力学性能的内在联系。通过有损和无损实验，研究了2种不同孔隙率和织构的AM Ti-6Al-4V试块的相变行为、取向分布函数、孔隙率和孔隙形貌特征。为验证理论预测的准确性，采用了稀疏法与所建立模型进行对比分析；同时开展了拉伸实验和超声实验，基于MMT模型得到的Young’s模量与拉伸实验结果的平均绝对百分比误差（MAPE）分别为0.87%和2.51%，基于MMT模型得到的等效弹性刚度张量Ceff与超声实验结果的MAPE分别为9.47%和4.45%。可见，实验结果从力学角度和无损检测2个角度验证了MMT模型的有效性，为研究AM多晶体材料的微观结构与宏观力学性能的作用机理提供了一种有效的细观力学分析方法。

基于晶粒形貌的

增材制造力学行为数值模拟

王艺飞、陈静远、张昭

大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室

为了研究电弧增材制造中材料的各向异性力学行为，本文建立了双椭球热源模拟电弧增材制造过程中的温度场，建立Monte Carlo模型模拟增材层截面微观组织的变化，建立晶体塑性模型表征晶粒形貌对材料力学行为的影响规律，从而修正位错动力学模型，得到基于晶粒形貌特征的电弧增材制造中各向异性的力学行为数值模拟方法。修正后的位错动力学模型可以很好地反映出电弧增材制造工艺特征导致的材料各向异性行为，且与试验结果一致。电弧增材制造构件在增材高度方向上的力学性能显著低于热源移动方向的力学性能，在增材高度方向上和热源移动方向上晶粒尺寸比达到7.5 mm/1.3 mm时，屈服强度比达到787.8 MPa/865.2 MPa。钛合金在600℃以上出现明显的材料软化，这主要是晶粒球化导致的。

电弧增材制造传热传质

数值模拟技术综述

郭鑫鑫1魏正英1张永恒1张帅锋1,2

1. 西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室2. 中国船舶集团有限公司第七二五研究所

电弧增材制造过程涉及丝材的送入和熔化，熔融金属向熔池的过渡，熔池中液态金属的对流、凝固和成形。缺陷的形成与电弧增材制造过程中发生的复杂多物理场现象密切相关。因此，需要借助高保真数值模拟技术来深入理解这些物理现象，并将其作为优化工艺条件、制造高质量产品的理论依据。本文综述了电弧增材制造传热传质数值模拟涉及的关键技术，并对未来研究方向进行了展望：首先，介绍了几种典型的热源模型，鉴于电弧增材制造过程中熔池的形成与演变是多种驱动力共同作用的结果，分析了浮力、电磁力、表面张力、电弧压力、电弧剪应力模型对流体流动和熔池表面变形的影响；然后，总结了三种金属过渡模型，包括速度入口填充液态金属、指定位置添加球状质量源项以及直接建立固态金属焊丝；最后，介绍了常用的气液界面跟踪方法。

基于RSM-RVEA的FDM

增材制造工艺参数优化方法

赵欣1黄金杰1,2,3

1. 哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院2. 哈尔滨理工大学自动化学院3. 哈尔滨理工大学黑龙江省复杂智能系统与集成重点实验室

与传统制造生产的效率相比，当前的3D打印生产效率仍相对较低。因此，如何优化工艺参数，以提升打印件性能、缩短打印时间和减少材料成本，对于提升制造效率来说至关重要。针对这一问题，借鉴传统多目标问题优化方法并结合数值分析，给出一种面向熔融沉积制造(Fused deposition modeling,FDM)的工艺参数优化方法。具体来说，该方法通过响应面法来引导和减少数值分析次数，所得到的回归方程采用基于参考向量引导的进化算法(Reference vector guided evolutionary algorithm,RVEA)来寻找工艺参数的Pareto最优解。同时引入角度惩罚技术，使得该方法在进化初期注重收敛性，在进化末期注重多样性，有效地提高了迭代计算的平衡性。相较于其他工艺参数优化方法，本方法能够更好地提升打印效率并降低制造成本，且具有较好的可靠性。

肠道支架五轴增材制造

人工智能监测方法研究

高欣宇、赵一坤、戴源、顾志杰、林乐乐、崔浩鹏、徐婧嵋、王慧敏、杨继全、李宗安

南京师范大学电气与自动化工程学院、江苏省三维打印装备与制造重点实验室

针对肠道支架五轴增材制造技术存在的成型质量监测及可追溯性的问题，本文提出了一种基于YOLO8的五轴肠道支架增材制造人工智能监测方法。首先采用轻量级通用上采样内容感知重组(CARAFE)模块，在上采样过程中实现细节丰富和边缘平滑；其次基于特征融合金字塔网络能够融合多尺度特征的性能，提出重参数泛化特征金字塔融合网络，可提供有效的信息传输方式，扩展网络的深度；然后引入强效交并比损失函数改进网络模型，增强对中等质量锚框地聚焦能力，实现了平均精度的提高；最后通过消融对比实验，验证了本文提出的算法，结果显示本文提出的监测算法针对层间剥离、喷头堵塞、局部欠挤出等问题的精度分别达到了91.3%、76.6%和71.8%，在FDM增材制造人工智能监测领域具有一定的应用前景。

基板温度对激光增材制造

熔池特征影响的数值模拟研究

钱学海、赵吕、李振环

华中科技大学航空航天学院&智能制造装备与技术全国重点实验室

激光粉末床熔融增材制造技术具备成形自由度高和制造周期短等优势，在航空航天和生物医疗领域复杂结构一体化成形中展现出卓越潜力。激光粉末床熔融工艺涉及极高的升温、冷却速率和极强的温度梯度，不可避免地在构件内产生热应力和残余应力，严重损害构件的力学性能。因此，选取合理的工艺参数，降低熔池区域温度梯度幅值，对提高成型件质量有着重要的意义。本文基于流体动力学方法，使用多相流方法追踪粉末形状变化，考虑了反冲压力和马兰戈尼效应，计算分析了熔池流动行为和基板温度对温度梯度的影响。结果表明，熔池边界的温度梯度显著高于熔池内部，提高基板初始温度可有效降低温度梯度幅值，有望减小热应力和残余应力。

投稿邮箱：2509957133@qq.com

欢迎投稿

▌三维科学 l 无限可能

投稿丨 2509957133@qq.com

www.3dsciencevalley.com