Laser Powder Bed Fusion Melt Pool Dynamics for Different Geometric Variations and Powder Layer Heights: High-Fidelity Multiphysics Modeling vs 2025 NIST Experiments
Northwestern University（西北大学）；HiDeNN-AI LLC（HiDeNN-AI有限责任公司）
本文通过高保真多物理场模拟研究粉末层高度和几何变化对熔池动力学的影响，与2025年NIST实验对比验证，展示物理基础PBF-LB模型的预测能力，为工艺优化和数字孪生集成提供支持。
2026-03-29 physics.app-ph
The influence of surface deformation on thermocapillary flow instabilities in low Prandtl melting pools with surfactants
材料激光加工过程中，低普朗特数熔池中的热量和流体流动对边界条件非常敏感，且响应是高度非线性的。先前的研究表明，在高Marangoni数下，具有表面活性剂的熔池中的流体流动可能是不稳定的。在熔池内金属液流动的数值模拟中，表面变形及其对材料吸收能量的影响往往被忽略。然而，这种简化的假设可能会降低与表面变形的数值预测的准确性水平。在本研究中，我们进行了三维数值模拟，实现表面变形的影响，在激光熔化的金属合金与表面活性剂的热毛细流动不稳定性。我们的计算模型是基于有限体积法，并利用体积的流体（VOF）的气体-金属界面跟踪方法。此外，我们采用了动态调整的热源模型，并讨论其对熔池行为的数值预测的影响。我们的研究结果表明，包括自由表面变形的数值模拟增强了预测的流动不稳定性，因此，预测的固液界面形态。
2020-09-24 physics.app-ph physics.flu-dyn
The influence of beam focus during laser powder bed fusion of a high reflectivity aluminium alloy -- AlSi$_{10}$Mg
与其他常用合金相比，铝合金的LPBF与许多挑战相关，因为它们具有更高的反射率和热导率。在这项工作中，工艺图，温度预测模型，XCT，和金相用于建立在AlSi $_{10}$ Mg响应的基础上的高反射率铝合金的工艺参数优化标准，使用57个不同的工艺参数组合- 21个使用聚焦高斯激光束和36个使用发散光束。对于聚焦光束直径<100 μm的LPBF系统，通过散焦到LPBF构建板上方的位置获得的发散光束主要导致传导模式熔池，而聚焦光束导致过渡和小孔模式熔池。传导模式熔化有助于避免小孔模式缺陷，从而产生密度> 99.98%的部件。此外，聚焦光束的激光功率和速度设置的分析模型引导选择有助于稳定过渡熔化模式中的熔池和飞溅动态，从而能够获得接近传导模式密度（~99.98%）的密度值。在这项工作中，导出了无量纲的锁眼数（Ke），以确定不同的区域的传导（Ke 0-12），过渡（Ke 12-20），和锁眼（Ke > 20）模式熔化在LPBF的AlSi $_{10}$。观察到约0.4的熔池纵横比（熔池深度与宽度的比率）是AlSi $_{10}$的传导和过渡/小孔模式熔池之间的阈值，不同于常规假设的0.5。最后，与传导模式熔池相比，观察到过渡/小孔模式熔池的推断的激光吸收率值（从实验熔池）高出>40%。这项工作展示了一个无量纲的过程图方法，以获得近全致密的部分，可以推广为LPBF的高反射率合金。
2022-08-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Vector-level Feedforward Control of LPBF Melt Pool Area Using a Physics-Based Thermal Model
本文提出一种LPBF熔池面积矢量级前馈控制框架，通过解耦零件尺度热行为与小尺度熔池物理，结合有限差分热模型和降阶解析熔池模型，在两种材料上验证了显著降低几何误差、孔隙率和信号波动的效果。
2025-07-16 cs.CE physics.app-ph
Two-dimensional heat transfer and melt flow in the laser-impact zone at selective laser melting of thin walls -- II: Modeling
本文为薄壁选择性激光熔化建立二维传热与熔体流动CFD模型，揭示熔池涡流特征及混合不足现象，并提出误差在10%以内的熔池深度解析模型，发现熔深与线能量密度成正比，有助于优化SLM工艺。
2024-09-26 physics.app-ph physics.flu-dyn
Interplay between Temperature Oscillations and Melt Pool Dynamics in 3D Manufacturing Techniques
Udmurt Federal Research Center of the Ural Branch of RAS（俄罗斯科学院乌拉尔分院乌德穆尔特联邦研究中心）；Udmurt State University（乌德穆尔特国立大学）
本文研究了激光熔化中温度振荡与熔池动力学的相互作用，提出了一种物理一致的模型，通过实验数据验证，并推导了振荡谱的解析方程，探讨了表面张力温度系数对熔池参数的影响。
2026-03-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
The Effect of Groove Shape on Molten Metal Flow Behaviour in Gas Metal Arc Welding
电弧焊工艺的开发、鉴定和优化的挑战之一在于表征复杂的熔池行为，其对工艺参数的变化表现出高度非线性的响应。本文提出了一种基于模拟的方法来描述气体保护金属极电弧焊（GMAW）根部焊道熔池行为。采用增强的物理计算模型进行了三维数值模拟，揭示了坡口形状对GMAW中复杂的非稳态传热和流体流动的影响。考虑了表面变形对功率密度分布的影响以及作用在熔融材料上的力。利用这个模型，复杂的热量和流体在熔池中的流动可视化，并描述了不同的凹槽形状。此外，还进行了实验来验证数值预测，并证明了本计算模型的鲁棒性。该模型可用于探索熔化极气体保护电弧根焊过程中控制流体流动和熔池稳定性的物理效应。
2021-12-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
Time-resolved Absorptance and Melt Pool Dynamics during Intense Laser Irradiation of Metal
高辐照度激光入射到金属表面会产生一个复杂的动态过程，通过这个过程，金属可以迅速从高反射转变为强吸收。对这一过程的绝对了解是激光焊接、切割和金属增材制造等重要工业激光工艺的基础。确定材料对激光的时间依赖性吸收率非常重要，不仅可以从根本上了解光与物质的相互作用，还可以改进制造过程中的工艺设计。动态光学吸收率的测量是众所周知的困难，由于吸收介质的快速变化的性质。这些数据对于过程建模人员也至关重要，他们的复杂模拟需要可靠、准确的输入数据;然而，可用的数据很少。在这项工作中，我们测量的时间依赖性，反射光在10毫秒的激光点焊使用积分球装置。由此，我们计算了入射到316L不锈钢上的1070 nm波长光的动态吸收率。我们实验的时间分辨率（< 1 us）允许确定几个重要物理现象发生的精确条件，如熔化和小孔形成。光学确定的平均吸收率进行了比较，量热法确定的值，它被发现，量热计严重低估了吸收的能量，由于在点焊过程中的质量损失。为了验证我们的解释的光学结果，以及焊接模型验证提供实验数据的焊缝熔核横截面。
2018-09-11 physics.app-ph
Machine learning for metal additive manufacturing: Predicting temperature and melt pool fluid dynamics using physics-informed neural networks
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Livermore Software Technology, an ANSYS company（利弗莫尔软件技术公司，ANSYS 旗下公司）
最近机器学习（ML）和人工智能（AI）的爆炸式发展显示出金属增材制造（AM）过程建模突破的巨大潜力。然而，数据科学中传统机器学习工具的成功主要归功于前所未有的大量标记数据集（大数据），这些数据可以通过实验或第一性原理模拟获得。不幸的是，这些标记的数据集是昂贵的，以获得在AM由于高成本的AM实验和禁止高保真模拟的计算成本。我们提出了一个物理信息神经网络（PINN）框架，将数据和第一物理原理（包括动量、质量和能量守恒定律）融合到神经网络中，以告知学习过程。据作者所知，这是第一次应用PINN的三维AM过程建模。此外，我们提出了一种基于Heaviside函数的Dirichlet边界条件（BC）的硬型方法，该方法不仅可以执行BC，而且可以加速学习过程。PINN框架应用于两个代表性的金属制造问题，包括2018年NIST AM基准测试系列。我们仔细评估的PINN模型的性能，通过比较现有的实验数据和高保真度的模拟结果的预测。研究表明，PINN，由于额外的物理知识，可以准确地预测金属AM过程中的温度和熔池动力学，只有适量的标记数据集。PINN对金属AM的进军显示了物理信息深度学习在先进制造业中更广泛应用的巨大潜力。
2020-09-16 cs.CE cs.LG physics.app-ph
In situ and Operando X-ray Imaging of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing
定向能量沉积增材制造（DED-AM）部件的机械性能可能高度依赖于材料。通过原位和操作同步X射线成像，我们捕获了控制不锈钢（SS 316）和钛合金（Ti 6242或Ti-6Al-2Sn-4 Zr-2 Mo）构建质量的潜在现象。我们揭示了三种机制影响钛合金的构建效率相比，不锈钢：吹制粉末烧结;减少熔池润湿由于烧结;和孔推在熔池。前两者直接增加了未熔合孔隙率，而后者导致径迹末端孔隙率。每种现象都会影响熔池特性、基底的润湿，从而影响构建效率和不期望的微观结构特征的形成。我们证明了孔隙率与粉末特性、池流和凝固前沿形态有关。我们的研究结果阐明了DED-AM工艺动力学，说明了为什么每种合金的构造不同，促进了增材制造在新材料中的更广泛应用。
2020-06-16 physics.app-ph physics.ins-det
Finite Interface Dissipation Phase Field Modeling of Ni-Nb under Additive Manufacturing Conditions
在激光粉末床熔合（L-PBF）过程中，构建的零件经历多次快速加热-冷却循环，导致具有不均匀性能的复杂微观结构。在目前的工作中，一个计算框架，它弱耦合的有限元热模型的非平衡PF模型的发展，在L-PBF过程中的Ni-Nb合金的快速凝固组织进行了研究。利用该框架预测了不同工艺条件下获得的单道熔池显微组织中胞状偏析结构的形貌和尺寸的空间变化以及显微偏析。一个凝固图展示了作为温度梯度和生长速率的函数的微观结构特征的变化。一个平面的细胞过渡预测在大多数的锁眼模式熔池，而平面界面是占主导地位的传导模式熔池。预测的细胞偏析结构的形态和尺寸与实验测量结果吻合得很好。
2020-02-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Molten pool characteristics of a nickel-titanium shape memory alloy for directed energy deposition
镍钛记忆合金的增材制造具有制造灵活、成本低、可定制性强、缺陷少等优点，近年来受到越来越多的关注。定向能量沉积（DED）工艺参数对其熔池特性（几何形状、微观结构等）有着至关重要的影响，从而影响形状记忆效应和伪弹性的最终性质。在本文中，考虑传热，相变和流体流动的三维数值模型已被开发来模拟包层的几何形状，熔池深度，和沉积速率。实验和模拟结果表明，激光功率对熔池宽度和熔敷速率起决定性作用，而扫描速度和送粉速率对熔覆几何形状和熔敷速率影响较小。熔池中的流体速度对元素的分布有很大的影响。计算了温度梯度G、凝固速率R以及形状因子G/R，以阐明晶粒结构演化的内在机制。模拟结果与实验样品截面上的晶粒形貌分布吻合较好。该模型对沉积工艺的优化和晶粒结构的预测具有一定的指导意义。
2021-10-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Resolving thermal gradients and solidification velocities during laser melting of a refractory alloy
本研究利用高速红外成像技术，解析难熔合金C103激光熔化过程中的热梯度和凝固速度，揭示柱状晶向等轴晶转变机制，为增材制造微观结构控制提供指导。
2024-11-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A new heat source model for selective laser melting simulations based on energy distribution on the powder layer and the surface of substrate
为了更准确地预测选区激光熔化（SLM）过程中熔池的形状信息，提出了一种新的有限元温度场仿真模型。模拟使用一种新的热源模型，该模型考虑了粉末布局、基底表面和熔化后粉末层厚度变化对能量分布的影响。为了构建这种新的热源模型，首先提出了一种基于梯度下降和单变量搜索技术的改进优化方法来模拟粉末布局，然后跟踪并记录激光束在粉末和基底表面之间的传播，以获得能量分布。最后，根据激光能量在粉末层和基体表面之间的分布，将热源模型分为两部分：一种是基片表面热源模型为高斯分布，另一种是粉层热源模型为水平面上满足高斯分布，根据通过拟合获得的函数关系在深度方向上改变。此外，还分析了粉末层熔化后的厚度变化，并在热源模型中予以考虑。将粉体仿真结果与粉体散射实验结果进行了对比，验证了粉体模型的有效性。将温度场模拟结果与实验结果进行对比，结果表明，预测的熔池宽度相对误差为6.4%，连接宽度误差为9.6%，具有较好的精度，验证了温度场模拟模型的有效性。
2021-06-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A Framework for Simulating the Path-level Residual Stress in the Laser Powder Bed Fusion Process
针对激光粉末床熔融（LPBF）路径级残余应力模拟计算成本高的难题，提出基于路径级热历史、引入有效热应变概念的高效模拟框架，经高保真结果验证后，探究了热历史与层形状对残余应力的影响。
2024-04-10 cs.CE physics.app-ph
Particle Inertia-Driven Pore Formation over Material Property Effects in Laser Powder-blown Directed Energy Deposition
Texas A&M University（德克萨斯农工大学）；Colorado School of Mines（科罗拉多矿业学院）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本研究通过原位X射线成像揭示LP-DED中颗粒惯性（高韦伯数）主导大孔隙形成，能量密度增加加深颗粒穿透并增大孔隙，为控制孔隙率提供物理依据。
2026-09-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.flu-dyn
Correlative Synchrotron X-ray Imaging and Diffraction of Directed Energy Deposition Additive Manufacturing
通过对镍基高温合金IN 718的原位和操作同步加速器X射线成像和衍射研究，揭示了定向能量沉积增材制造（DED-AM）的主导机理行为。使用一个独特的过程复制器，实空间相衬成像，使量化的凝固过程中的熔池边界和流动动力学。这种成像知识告知精确的衍射测量的时间分辨的微观结构相在转换和应力发展的空间分辨率为100 $μ$ m。衍射量化的热梯度，使枝晶凝固微观结构被预测和耦合的应力取向和大小。快速的冷却速率完全抑制了第二相的形成或固态再结晶。在凝固时，应力在冷却期间迅速增加到屈服强度。这一认识，结合IN 718 $'$的大凝固范围，表明累积的塑性耗尽了合金$'$的延展性，导致液化开裂。这项研究揭示了额外的基本机制，在DED-AM高度非平衡微结构的形成。
2020-09-16 physics.app-ph
In-situ surface porosity prediction in DED (directed energy deposition) printed SS316L parts using multimodal sensor fusion
Texas A&M University（德克萨斯A&M大学）
本研究针对DED打印SS316L零件的孔隙检测问题，采用多模态传感器融合与LIME可解释AI方法，结合深度卷积网络实现体素级孔隙实时预测，准确率达87%，并揭示了两类孔隙形成路径的AE信号特征。
2024-06-23 cs.LG physics.app-ph
