多尺度多物理场建模揭示SLS增材制造中PA12的工艺-结构-性能关系及其力学性能预测

本文针对选择性激光烧结(SLS)增材制造中聚酰胺12(PA12)制件性能调控难题，研究团队通过集成多尺度建模构建了工艺-结构-性能框架。开发了融合热传导、结晶动力学和致密化模型的高保真计算模型，成功预测了不同激光功率(31-100W)下制件的孔隙率(9.28%-74.12%)、结晶度(29.2%-31.7%)与力学性能的关联规律，建立了从工艺参数到宏观力学响应的完整预测链条，为SLS工艺逆向设计提供了理论支撑。

　　

在当今快速发展的增材制造领域，选择性激光烧结(SLS)技术因其能够制造复杂几何形状的聚合物零件而备受青睐。然而，这项技术面临着一个关键挑战：工艺参数与最终零件性能之间的关系仍然像"黑箱"一样难以捉摸。特别是对于最常用的聚酰胺12(PA12)材料，激光功率等参数如何影响材料的微观结构和力学性能，一直是困扰研究人员的难题。

来自美国克莱姆森大学(Clemson University)的研究团队在《Materials》期刊上发表了一项突破性研究。他们开发了一个创新的多尺度多物理场建模框架，首次完整揭示了SLS工艺中从粉末熔化到最终零件性能的全过程机制。这项研究不仅解开了工艺参数与材料性能之间的复杂关系，更为实现"按需设计"的增材制造提供了重要工具。

研究人员采用了三项关键技术：1)基于MOOSE平台的多物理场耦合模拟，整合了激光-粉末相互作用的热力学模型；2)微计算机断层扫描(Micro-CT)技术定量表征不同激光功率(31-100W)制件的孔隙分布；3)建立包含晶相与非晶相的双机制本构模型，通过代表体积单元(RVE)方法实现跨尺度力学性能预测。

【工艺模型构建】
研究团队首先建立了精确的激光热源模型，采用高斯分布结合Beer-Lambert定律描述激光在粉末床中的能量衰减。通过耦合热传导方程与非等温结晶动力学模型，成功模拟了不同激光功率下的温度场演变和结晶行为。特别值得注意的是，模型引入了Avrami-Nakamura方程来描述PA12的结晶动力学，其中结晶速率常数k与温度呈指数关系，这为理解工艺参数对结晶度的影响提供了量化工具。

【孔隙率预测】
模拟结果与Micro-CT实验数据的对比显示，模型能准确预测常规工艺窗口(62-100W)下的孔隙率，误差控制在5.3%-12.77%。例如在62W激光功率下，模拟预测孔隙率为7.55%，与实测值7.17%高度吻合。但在31W的低功率条件下，由于部分熔化效应，模型预测出现较大偏差，这提示在低能量密度区域需要引入更复杂的相变模型。

【力学性能关联】
通过将预测的孔隙分布映射到RVE模型，研究人员建立了孔隙率-弹性模量的定量关系：E = -25.719φ + 1551.5(MPa)。力学模拟显示，随着激光功率从31W提升至100W，材料的弹性模量从689MPa增至1447MPa，这与拉伸试验结果高度一致。双机制本构模型成功捕捉了PA12的弹塑性转变行为，特别是在大应变条件下的硬化特性。

【创新价值与应用前景】
这项研究的突破性在于首次实现了从SLS工艺参数到最终零件性能的完整预测链条。所建立的多尺度框架不仅能解释现有工艺条件下的材料行为，更为逆向设计提供了可能——即根据目标性能需求反推最优工艺参数。例如，研究揭示在62W以上继续增加激光功率对降低孔隙率的效果有限，这为工艺优化提供了明确的能量效率边界。

未来，该模型框架可通过引入各向异性、损伤机制等扩展模块，进一步提升对复杂工况的预测能力。此外，模型参数化方法为其他聚合物SLS材料的性能预测提供了可借鉴的范式。这项研究标志着增材制造从"试错式"工艺开发向"预测式"智能制造的转变迈出了关键一步。