一种用于预测零件尺度几何形态的建模方法，该方法考虑了基于激光的定向能量沉积制造系统的状态

《Optics & Laser Technology》：Modeling method for predicting part-scale geometric morphology considering manufacturing system states of laser-based directed energy deposition

激光增材制造（DED-LB）在大型零件制造中面临几何精度挑战，其根源在于运动系统的动态时序数据（如加速/减速现象和激光开关延迟）与热传递过程的耦合作用。本研究构建了融合制造系统状态与热传递模型的虚拟仿真框架，通过识别精确的时序数据（误差<1%）和温度依赖性各向异性热导率模型，实现了大尺寸零件几何形态的预测。验证表明该模型可准确预测沉积时间、基板温度及几何特征，揭示不同路径规划对熔池尺寸和温度场分布的影响，并指出传统简化模型因忽略实际系统状态可能导致体积估算偏差高达53%。

　　激光基定向能量沉积（DED-LB）作为一种先进的增材制造技术，正逐步成为生产大型部件和高价值产品的重要手段。该技术通过将激光束与同步输送的粉末颗粒结合，实现逐层材料的熔融与沉积，从而构建出所需的三维结构。尽管DED-LB具有显著的优势，例如能够制造复杂几何形状的零件、减少材料浪费以及实现快速成型等，但在实际应用中，其高几何精度的实现仍面临诸多挑战。主要问题之一在于，由于需要大量的往返路径和逐层热积累，导致制造出的零件与设计存在偏差。这种偏差不仅影响了零件的尺寸精度，还可能引发结构缺陷和材料性能的不稳定，从而限制了DED-LB在工业领域的广泛应用。

在DED-LB过程中，激光头的运动轨迹、粉末的输送速度以及激光功率等参数共同决定了熔池的形成和材料的沉积行为。这些参数的变化会直接影响熔池的尺寸和形状，进而影响最终零件的几何形态。例如，当激光头在路径的起点和终点经历加速和减速时，这些非均匀的运动状态会导致局部能量输入的不均衡，从而引发熔池尺寸的波动。此外，激光开关的延迟现象也会加剧这一问题，因为激光在路径结束时可能尚未完全关闭，导致额外的热量输入。这种现象在路径规划中尤为关键，因为其不仅影响了制造过程的时间安排，还可能对熔池的形成和材料的凝固过程产生深远影响。

为了克服上述问题，本研究提出了一种虚拟仿真框架，该框架通过将制造系统状态与热传导模型相结合，以预测沉积零件的大尺度几何形态。这一方法的核心在于，它能够考虑到实际制造过程中复杂的物理行为，包括熔池的动态变化、热积累的分布以及不同路径模式对几何形态的影响。传统的仿真模型往往忽略了制造系统状态的动态变化，仅基于固定参数进行建模，导致预测结果与实际情况存在较大偏差。而本研究提出的模型则通过引入时间依赖的运动轨迹数据，使得仿真结果更加贴近真实制造过程。

在模型构建过程中，我们采用了温度依赖的各向异性增强热传导模型，并结合自适应网格技术，以提高计算效率和精度。同时，通过分析不同路径模式下的熔池面积变化，我们能够更直观地理解热传导机制如何影响最终零件的几何形态。研究结果表明，制造系统状态对几何形态、热影响深度以及热稳态温度具有显著影响。忽略这些因素的简化模型可能导致对沉积体积的高估，最大误差可达53%。这一发现强调了在DED-LB过程中，必须充分考虑系统状态的动态特性，才能实现高精度的零件制造。

此外，本研究还提出了一种识别方法，用于从数字控制程序中提取运动轨迹的时间序列数据。该方法能够有效捕捉激光头在路径上的加速、减速以及激光开关的延迟现象，从而为后续的热传导模拟提供更加准确的输入。通过这种方式，我们能够更精确地模拟熔池的形成过程，以及其在不同路径模式下的变化。这不仅有助于理解热积累对零件几何形态的影响，还为优化路径规划和设备配置提供了理论依据。

在实际应用中，DED-LB的路径规划对于制造过程的效率和质量至关重要。传统的路径规划方法通常基于简单的线性关系，将制造时间与路径长度和输送速度直接关联。然而，这种方法忽略了激光头运动过程中加速和减速阶段的时间消耗，以及激光开关延迟对能量输入的影响。因此，基于简化模型的路径规划可能导致实际制造时间的低估，进而影响零件的最终质量。本研究提出的虚拟仿真方法，能够更准确地预测制造过程中的热行为和几何形态，为路径规划和设备配置提供了更科学的指导。

本研究的成果表明，通过将制造系统状态与热传导模型相结合，可以有效提高DED-LB过程中零件几何精度的预测能力。这不仅有助于优化制造参数，还能为设备的设计和改进提供重要参考。例如，通过分析不同路径模式下的热积累情况，可以确定最佳的路径规划策略，以减少不必要的热输入并提高零件的均匀性。同时，对激光开关延迟和运动轴加速减速现象的研究，也为提高制造过程的控制精度提供了新的思路。

综上所述，DED-LB作为一种重要的增材制造技术，其高几何精度的实现依赖于对制造系统状态的深入理解和精确模拟。本研究通过开发一种新的虚拟仿真框架，不仅提高了对沉积零件几何形态的预测能力，还揭示了制造系统状态对热行为和材料沉积过程的深远影响。这些发现对于推动DED-LB技术在工业领域的应用具有重要意义，同时也为未来的相关研究提供了理论支持和技术路径。