第一個空間完全自適應的 SPH 框架，用于在 AM增材制造中進行高效的3D熔池模擬
增材制造中的熔池模擬是充滿挑戰的，熔池動力學是許多不同現象的相互作用。 基礎物理學非常復雜，在不同的時間和長度尺度上會發生多種影響。 在PBF選區金屬熔融3D打印過程中，入射在金屬粉末表面上的激光用作熱源，需要固體到液體的相變來模擬粉末的熔化過程，同時考慮熔池受具有強表面效應的流體動力學控制，包括表面張力、潤濕和溫度效應，如馬蘭戈尼對流和熱浮力。 為了理解這個過程，數值模型應該滿足一些預測能力。LPBF 仿真模型最重要的需求包括：預測熔池形狀和尺寸；估計用于分析微觀結構和殘余應力的溫度分布和冷卻速率；固化軌道形狀和表面質量的預測；預測缺陷形成，如孔隙率、氣體捕獲、飛濺和成球。
第一個空間完全自適應的 SPH 框架，用于在 AM增材制造中進行高效的3D熔池模擬，本期將分享 來自ETH蘇黎世聯邦理工的《An adaptive smoothed particle hydrodynamics (SPH) scheme for efficient melt pool simulations in additive manufacturing》這篇論文所闡述的關鍵內容。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0898122123000925
數值模擬的價值
在基于粉末床熔融的AM增材制造過程中，工件的創建被限制在入射激光點周圍的一個小液體區域，即熔池，從霧化金屬粉末顆粒到整體部件的轉化都發生在該區域。快速的相變、巨大的熱梯度和表面張力效應支配著熔池的行為，并最終決定了零件的形狀和質量。孔隙率、飛濺、分層或膨脹等缺陷與熔池幾何形狀密切相關。 另一方面，微觀結構和材料特性與冷卻速率密切相關。這些影響發生在較小的時間尺度上，因此很難通過反復試驗來檢查或控制過程。從這個意義上說，依靠數值模擬成為深入了解該過程的關鍵。
在計算機技術和高性能計算系統呈指數級增長的推動下，在過去幾年中，人們在建模和理解過程的不同方面方面做出了許多顯著的努力。根據3D科學谷，國內的最新發展包括，來自上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊的研究人員基于實驗觀測到的LPBF中匙孔分裂熔池的現象，建立了熱-力-流耦合模型，揭示了一種新的匙孔氣孔形成機制(穿透氣孔，簡寫KP-pore)，同時探討了粉末對匙孔、熔池和氣孔形成特性的影響，并且基于高通量模擬建立了輸入能量密度與孔隙數的關系圖，為減少或消除LPBF過程中的孔隙提供了策略。
平滑粒子流體動力學
最近，人們越來越關注使用傳統 CFD 和 FE/FV 方法之外的其他技術對 LPBF 激光粉末床熔融金屬3D打印進行模擬建模。平滑粒子流體動力學 (SPH) 流體模擬是目前該特定應用的最流行選擇之一。
根據知乎，平滑粒子流體動力學（英文：Smoothed Particle Hydrodynamics，英文縮寫SPH）于1977年被由R.A. Gingold 以及J.J. Monaghan提出。作為一種偏微分方程的數值解法，SPH在一開始被用于模擬行星爆炸等問題。因為與網格數值方法相比，SPH可以在不需要繪制特殊網格的情況下，更好的處理介質的扭曲和拉伸，以及一些真空的空洞等等。除此之外，通過調整粒子與粒子之間的作用力方程，SPH可以更好的模擬復雜的物理現象。
平滑粒子流體動力學具有無網格離散點的明顯優勢，以拉格朗日方式跟隨材料在空間中的傳輸，使其天然適用于自由表面和大變形過程。因為每個粒子都可以攜帶連續體的局部屬性，SPH 也成為多相應用的強大工具。一般的缺點是保持數值穩定性，因為大多數 SPH 近似嚴重依賴校正方案來解決由顯式拉格朗日性質和邊界缺陷引起的不穩定性。此外，SPH（類似于其他基于粒子的方法）在計算上比基于網格的技術更昂貴。從好的方面來說，SPH 為自適應分辨率提供了巨大的潛力，并且是并行計算的理想選擇——基于網格的方法不一定具有的吸引人的特性。
增強的算法
此前，市場上的研究方法都沒有利用 SPH 方法通過多分辨率離散化進行運行時優化的潛力。SPH 受益于通過分裂或合并粒子來調整分辨率的天然優勢。因此，它允許將高分辨率區域限制在感興趣的點 – 這是激光熔化應用的理想功能。來自ETH蘇黎世聯邦理工的論文《An adaptive smoothed particle hydrodynamics (SPH) scheme for efficient melt pool simulations in additive manufacturing》
將這些最新進展擴展到用于中尺度 AM 增材制造模擬的 3D 全空間自適應 SPH 框架，具有多級自適應性和增強的快速鄰域搜索算法。
這里的目標是提高計算效率，由于所選方法的穩定性在很大程度上取決于自由表面力，因此研究人員特別關注潤濕效應的實現，并且在幾個初步的數值基準測試中測試和驗證了該方法的數值精度和收斂性。
使用具有多級動態細化和粗化的當前自適應 SPH 方案的單軌 LPBF 仿真。
© ETH
論文內容涵蓋了給出了理解和模擬 AM增材制造過程中熔池行為所需的理論背景和控制方程；描述了如何使用 SPH 方法在空間中對這些方程進行離散化，還概述了在代碼中實現的數值穩定項和糾正方案；通過應用于單軌和多軌 LPBF 激光粉末床熔融金屬增材制造過程，詳細闡述了基于 SPH 的仿真框架的效率和能力 。
結論
研究人員提出了第一個空間完全自適應的 SPH 框架，用于在 AM增材制造中進行高效的 3D 熔池模擬。該實施包含最先進的數值穩定技術以確保 SPH 的穩定性和魯棒性，以及所有關鍵的物理現象，例如反沖壓力、潤濕和馬蘭戈尼效應，以詳細捕捉熔池動力學。通過粒子分裂和合并實現完全空間自適應性，其中空間分辨率可以同時多次細化和粗化。由于采用了這種算法和一種新穎的排序算法，該代碼在基于粉末的增材制造應用中的執行速度提高了約 5 倍，這使得在合理時間內模擬多軌 LPBF激光粉末床熔融金屬增材制造過程成為可能，而無需并行計算。主要發現總結如下。
- 多級空間自適應性使研究人員能夠在AM增材制造模擬中將 SPH 代碼加速 5 倍。
- 粒子細化過程需要謹慎且面向應用的標準，因為在多個級別執行它很容易導致收益遞減。
- 為有效的內存管理設計并實施了動態粒子加載策略，這使得對更大的 LPBF激光粉末床熔融金屬增材制造過程模擬域進行建模成為可能。
- 多軌 LPBF激光粉末床熔融金屬增材制造過程的3D模擬現在在合理的運行時間內是可行的，并且不需要大規模并行化。
- 自由表面力和潤濕力似乎不僅對預測結果的可靠性而且對數值方法的穩定性都有重大影響。
- 采用校正和穩定項（例如，CSPM 和 δ-SPH）對于在更新的拉格朗日表示中獲得基于 SPH 的 LPBF 模擬的穩定解決方案至關重要。
后續工作將向多個方向發展，這包括但不限于對預測的熔池進行嚴格的實驗驗證，用于進一步加速運行的 GPU 并行計算以及允許多重反射吸收效應的增強激光材料模型。
論文鏈接https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0898122123000925
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