Inexpensive High Fidelity Melt Pool Models in Additive Manufacturing Using Generative Deep Diffusion
Carnegie Mellon University(卡内基梅隆大学)
本文提出基于概率扩散框架的生成式深度学习模型,将增材制造中粗粒度低保真熔池仿真升尺度为高保真结果,在保持温度场、熔池尺寸和匙孔变异性等关键指标的同时,将分析时间降低两个数量级。
2023-11-15 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Crystal plasticity model of residual stress in additive manufacturing
选择性激光熔化作为增材制造技术正受到越来越多的关注。由大的温度梯度和不均匀的冷却过程引起的残余应力有利于裂纹的产生。在这项工作中,晶体塑性有限元模型被开发来模拟残余应力的形成,并了解增材制造过程中的塑性形变、晶粒取向和残余应力之间的相关性。从热流体流动和晶粒生长模拟的温度分布和晶粒结构实施到晶体塑性模型。提出了一种单元消除和再激活方法来模拟熔化和凝固,并重新初始化状态变量,如塑性形变,在重新激活的单元。通过比较由热应力引起的塑性形变随时间的变化,根据液体区域的刚度退化来判断该方法的准确性。该方法被用来研究平行和垂直于激光扫描方向的残余应力,以及沿这些方向的晶粒的最大施密德因子的相关性。残余应力的大小可以作为深度、晶粒取向和相对于熔池的位置的函数来预测。
2021-07-16 cond-mat.mtrl-sci
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
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
Application of Finite Element, Phase-field, and CALPHAD-based Methods to Additive Manufacturing of Ni-based Superalloys
在这项工作中使用的数值模拟研究方面的显微组织和显微偏析的镍基高温合金在激光粉末床熔融增材制造过程中的快速凝固。有限元分析的热建模模拟激光熔池,表面温度与Inconel 625上的原位热成像测量结果一致。提取模拟熔池的几何和热特征,并用于随后的中尺度模拟。在两个长度尺度上模拟了熔池中的凝固。采用Scheil-Gulliver凝固模型和DICTRA软件计算了Inconel 625多元合金枝晶间的显微偏析。相场模拟,使用Ni-Nb作为一个二元类似物的Inconel 625,产生的显微组织与主细胞/树枝状臂间距与实测间距在实验观察到的显微组织和较小程度的显微偏析比预测的DICTRA模拟协议。的组合物配置文件是用来比较热力学驱动力的成核对实验观察到的沉淀物通过电子和X射线衍射分析确定。我们的分析列出了可能由富枝晶间成分的FCC相形成的沉淀物,并将这些沉淀物与在两个温度下1小时热处理的实验观察到的相进行比较:1143 K(870°C)下的应力消除或1423 K(1150°C)下的均匀化。
2017-05-04 cond-mat.mtrl-sci
High-speed synchrotron X-ray imaging of melt pool dynamics during ultrasonic melt processing of Al6061
针对激光增材制造中金属超声处理细化微观结构的机制未被直接观测的问题,采用高速同步辐射X射线成像结合多物理场模拟,揭示了20.2kHz超声对Al6061熔池的作用及提升零件质量的潜力。
2024-07-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Grain refinement of stainless steel in ultrasound-assisted additive manufacturing
通过基于熔融的增材制造(AM)或3D打印制造的金属和合金经历了复杂的熔化和凝固动力学,对有效控制晶粒结构提出了挑战。在这里,我们报告使用高强度超声波,控制316L不锈钢AM过程中的凝固过程。我们发现,使用超声波有利于柱状等轴转变,促进形成细等轴晶粒与随机晶体织构。此外,超声波的使用增加了晶粒的数量密度从305 mm-2至2748 mm-2,尽管在AM过程中的熔池中的冷却速率和温度梯度的相关降低。我们的晶粒尺寸和冷却速率之间的关系的评估表明,在AM过程中的微晶的形成是由超声增强。此外,超声波的使用通过降低大部分熔池中的温度梯度来增加凝固期间的成分过冷量,从而产生有利于晶粒成核、生长和存活的环境。这一新的认识为更好地利用超声波控制AM制造的金属产品中的晶粒结构提供了机会。
2020-10-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A Novel Proposal for Manufacturing Steel: OSRAM's CO$_2$ Steel Making Process
本文提出了利用二氧化碳炼钢的概念,并以第一作者的名字命名为OSRAM-CO $_2$ -SM工艺。我们在实验室实验中发现,当使分压为1个大气压的纯CO $_2$气体通过保持在1100 $^o$ C的水平干馏炉24小时时,高碳铬铁金属粉末中的碳含量从7%下降到1%。我们的研究结果清楚地表明,脱碳可以是非常有效的,当CO $_2$是在不稳定的温度下使用时,Boudouard反应是吸热的性质是更有利的。基于这些发现,我们提出了OSRAM-CO $_2$ -SM工艺,其中CO $_2$应用作脱碳剂。CO $_2$将被送入一个专门设计的转炉,该转炉配备有加热机构,以保持来自高炉的内容物处于熔融状态,从而使熔体脱碳。出来的由CO组成的热气体必须在燃烧室中与纯O $_2$的化学计量比例燃烧,以在接近1 atm的分压下产生CO $_2$。该方法将是非常有用的,因为它涉及CO $_2$的再利用和再循环,并且反过来将减少排放到大气中的CO $_2$的总量。
2015-07-14 cond-mat.mtrl-sci
Strongly out-of-equilibrium columnar solidification during the Laser Powder-Bed Fusion additive manufacturing process
基于激光的增材制造为金属零件的3D打印提供了一条有前途的途径。我们的实验证据在激光粉末床熔融处理Inconel 718镍基合金,我们解释使用相场模拟和经典的枝晶生长理论的一个特定的柱状凝固微观结构。由于大的温度梯度和冷却速率,凝固通过枝晶阵列发生,其中特征长度尺度,即尖端半径,扩散长度和初级间距,是相同的数量级。这导致枝晶尖端之间的相互作用较弱,并且侧支化急剧减少。然后,所得的不规则的蜂窝状固化图案在与完全熔池固化相当的时间尺度上保持稳定,如在竣工材料中所观察到的。
2018-09-26 cond-mat.mtrl-sci
Deep-Learning Quantitative Structural Characterization in Additive Manufacturing
Oak Ridge National Laboratory(橡树岭国家实验室)
为了加速具有精确微结构的增材制造组件的制造,我们开发了一种用于增材制造材料和零件中关键特征的结构表征的方法。该方法利用基于图像到图像转换条件生成对抗神经网络架构的深度学习,并实现对普遍几何特征的快速和增量更准确的预测,包括熔池边界和蚀刻光学图像中可见的印刷诱导缺陷。这些结构细节本质上是异质的。我们的方法指定的微观结构状态的添加剂建立通过统计分布的结构细节,基于收集的图像的合奏。提出了该方法的扩展以解决用于增材制造的实时的控制的所开发的机器学习模型的人工智能实现。
2023-01-20 cond-mat.mtrl-sci cs.CV
On the primary spacing and microsegregation of cellular dendrites in laser deposited Ni-Nb alloys
在这项研究中,合金相场模型被用来模拟凝固熔池内不同位置的凝固组织。温度梯度$G$和凝固速度$V$从宏观传热有限元模拟获得,并作为输入提供给相场模型。激光束速度和熔池内的位置上的主臂间距和在细胞尖端的Nb分区的程度的影响进行了研究。模拟稳态初级间距进行了比较幂律和几何模型。细胞尖端组合物相比,枝晶生长模型。研究了相场模型的非平衡界面分配程度。虽然相场模型有一个反捕获溶质通量项,旨在保持局部界面平衡,我们发现,在模拟过程中,它是不够的,在保持平衡。这是由于增材制造固化条件完全落在该通量项的允许极限之外的事实。
2017-06-09 cond-mat.mtrl-sci
A thermo-mechanical phase-field fracture model: application to hot cracking simulations in additive manufacturing
热断裂在许多工程问题中普遍存在,并且是金属增材制造中最具破坏性的缺陷之一。由于所涉及的交互式基础物理,这样的过程的计算模拟是具有挑战性的。在这项工作中,我们提出了一个热机械相场断裂模型,这是基于一个物理上一致的推导。不同的耦合项,如损伤通知热力学和热传导和温度依赖性断裂性能,以及不同的相场断裂配方的影响,进行了讨论。最后,将该模型应用于有限元方法中,并应用于增材制造热裂纹的模拟。从而不仅考虑了热应变,而且考虑了凝固收缩。至于热历史,各种预测的热剖面,包括解析解和数值热温度分布周围的熔化池,被认为是,而后者包括不同的工艺参数的影响。研究表明,凝固收缩应变是环向裂纹形成的主要原因,而温度梯度是中心裂纹形成的主要原因。工艺参数研究进一步表明,较高的激光功率和较慢的扫描速度有利于小孔型热裂纹的形成,而较低的激光功率和较快的扫描速度则有利于传导型热裂纹的形成。热裂纹模式的数值预测与类似的实验观察结果吻合良好,表明该模型的进一步研究的能力。
2022-08-03 cond-mat.mtrl-sci
A Data-Efficient Sequential Learning Framework for Melt Pool Defect Classification in Laser Powder Bed Fusion
West Virginia University(西弗吉尼亚大学);University of South Carolina(南卡罗来纳大学)
提出SL-RF+框架,结合随机森林、最小置信度采样和Sobol序列合成采样,在数据稀缺环境下高效选择信息样本细化决策边界,提升激光粉末床熔融熔池缺陷分类性能。
2024-11-16 cond-mat.mtrl-sci cs.CE cs.LG
Revealing the effects of laser beam shaping on melt pool behaviour in conduction-mode laser melting
本研究通过模拟与实验,揭示激光束整形对316L不锈钢传导模式激光熔化中熔池热流场、焊珠轮廓及凝固组织的影响,并探讨柱状晶向等轴晶转变。
2023-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
Efficient Semi-Automated Material Microstructure Analysis Using Deep Learning: A Case Study in Additive Manufacturing
本文提出一种半自动主动学习分割框架,通过U-Net网络与交互式用户标注界面及核心集图像选择策略,提升材料图像分割效率,减少人工标注时间65%,并用于缺陷分类与工艺参数映射。
2026-03-14 cond-mat.mtrl-sci cs.CV cs.LG
High-throughput Alloy and Process Design for Metal Additive Manufacturing
本研究开发了一个高通量计算框架,利用深度学习代理模型加速热模拟,实现了金属增材制造合金可打印性评估的1000倍加速,成功预测并筛选出适用于高温应用且缺陷最少的候选合金。
2023-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Process Microstructure Coupling in Reduced Gravity Laser Welding via Open-Source Multiphysics Simulation Framework
Bangladesh University of Engineering and Technology(孟加拉国工程技术大学);Virginia Polytechnic Institute and State University(弗吉尼亚理工大学)
本文通过开源多物理场模拟框架研究了不同重力环境下激光焊接的微观结构耦合,揭示了重力变化对熔池行为和晶粒形态的影响,为太空金属制造提供了理论支持和可重复研究平台。
2025-11-16 cond-mat.mtrl-sci physics.flu-dyn
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
Universal Numerical Simulation Model for Laser Material Processing
本文提出基于守恒定律与有限体积法的激光材料加工通用连续介质力学模型,可覆盖多尺度、多材料及连续波/超短脉冲过程,并经基准实验验证后用于解释和优化工业焊接、增材制造与钻孔缺陷。
2025-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.optics
A spiral laser scanning routine for powder bed fusion inspired by natural predator-prey behavior
通过激光粉末床熔融(LPBF)进行的增材制造提供了材料的多功能性,复杂几何形状的能力,以及对机械性能和微观结构的控制。然而,实现高质量的输出需要考虑局部和全局热梯度的工艺参数。在这里,我们提出了一种新的扫描模式,以减轻由不均匀的加热和冷却引起的零件质量问题。一个自然启发的设计方法,以获得一个螺旋图案源于捕食者-猎物的行为,和功率优化例程应用于保持恒定的熔池深度。比较模拟的热历史的螺旋图案,以完善的锯齿形和螺旋扫描模式,我们建议,螺旋图案显着降低了整个扫描区域的温度的空间变化,而更大的区域仍然高于指定的阈值温度在扫描结束时。因此,螺旋模式是有前途的LPBF的易裂材料,并为未来的LPBF整体优化。
2021-11-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Accurate Inverse Process Optimization Framework in Laser Directed Energy Deposition
本研究提出基于机器学习和遗传算法的激光定向能量沉积精确逆向工艺优化框架AIDED,实现了从应用目标快速逆向识别最佳工艺参数,并验证了其在多材料和多目标优化中的有效性与高可迁移性。
2024-07-24 cond-mat.mtrl-sci
Coupled Infrared Imaging and Multiphysics Modeling to Predict Three-Dimensional Thermal Characteristics during Selective Laser Melting
University of California Santa Barbara(加州大学圣塔芭芭拉分校)
本研究针对增材制造中热条件精准解析的难题,将高速红外成像与三维多物理场模拟结合,重建熔池亚表面温度分布,估算凝固条件并预测微观组织变化,验证了实验-计算集成方法对商用增材制造微观组织原位调控的关键作用。
2025-09-16 cond-mat.mtrl-sci
Powder Spreading and Layer Deposition in Metal Powder Bed Fusion
University of Naples “Federico II”(那不勒斯费德里科二世大学)
本文探讨粉末床熔融技术中粉末铺展与层沉积的机制,分析粉末特性、工艺参数及设备架构对粉末床质量的影响,并介绍离散元法在建模中的应用及粉末工程的发展趋势。
2026-06-23 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph