激光粉末床熔融增材制造中多尺度建模预测与控制结构化孔隙的研究

推荐：本研究针对激光粉末床熔融(LPBF)增材制造中工艺诱导孔隙(PIP)的预测与控制难题，开发了传导模型、混合几何模型和多物理场模型三种多尺度建模框架。创新性地引入部分熔融粉末颗粒效应，显著提升了低能量密度和高扫描间距条件下的孔隙率与表面形貌预测精度，并通过高分辨率CT扫描和SEM成像验证了模型有效性。多物理场模型预测孔隙率与实验值的偏差小于5%，为航空航天和生物医疗等领域定制化孔隙结构提供了重要设计工具。

　　

在金属增材制造领域，激光粉末床熔融(LPBF)技术因其能制造复杂几何结构零件而备受关注，但工艺诱导孔隙(PIP)问题始终是制约其广泛应用的关键瓶颈。传统研究多聚焦于如何消除孔隙缺陷，然而在生物支架、过滤系统等特殊应用中，可控孔隙反而能赋予材料渗透性、骨整合性等独特功能。当前技术痛点在于：单尺度模型难以准确预测高孔隙率结构的形貌，部分熔融粉末颗粒的影响被忽视，且缺乏跨工艺参数的系统性验证。

为突破这些限制，Abdul Qadeer团队在《Materials Characterization》发表了创新性研究。通过ANSYS Additive构建传导模型获取熔池尺寸，结合SolidWorks几何建模开发混合模型，并采用FLOW-3D模拟包含粉末床相互作用的熔池流体动力学。研究选用17-4PH不锈钢粉末，基于中心复合设计实验获取不同激光能量密度(LED 11.6-28.5 J/mm³)的样本，借助ZEISS Xradia Versa显微CT和FEI Quanta FEG250 SEM进行三维重构与形貌分析。

3.1 介观尺度热传导模型验证

传导模型通过调整粉末堆积因子(0.6→0.8)改善了低LED区的预测，但在高能量密度下仍存在线性预测偏差。实验显示孔隙率随LED增加呈指数下降，而模型仅能呈现线性趋势，凸显了忽略熔池流体效应的局限性。

3.2 混合几何有限元模型优化

将熔池宽度/深度增加平均粉末粒径的50%后，模型预测孔隙率更接近实验值。半椭圆形和双半椭圆形熔池形状的模拟结果与CT测量吻合最佳，但该模型仍无法反映实际熔池交汇处的节点增厚现象。

3.3 微观尺度多层多物理场模型突破

在11.59 J/mm³条件下，引入部分熔融颗粒效应使孔隙率预测误差降低至1.44%。通过DEM与VOF方法耦合，首次量化了粉末颗粒对孔隙通道的阻塞作用：低LED时部分熔融颗粒可填充26%孔隙空间，而高LED时该效应减弱至17%。三维重构显示多物理场模型精确复现了CT扫描观测到的熔池节点聚集和颈部收缩特征。

4. 模型对比与工业价值

全参数对比表明，多物理场模型虽需145小时计算时间，但其RMS误差(0.77%)显著优于混合模型(7.26%)和传导模型(10.4%)。该框架首次实现了从粉末尺度相互作用到宏观孔隙网络的跨尺度预测，为设计功能性梯度孔隙结构提供了新范式。特别在生物医学领域，精确控制的50μm级连通孔隙可优化骨植入体的机械适配性，而模型揭示的熔池-粉末相互作用机制为表面粗糙度控制提供了新思路。

这项研究建立了LPBF孔隙调控的理论-实验闭环验证体系，其创新点在于：首次将部分熔融粉末的几何效应纳入多物理场耦合，开发了适用于11-51%宽范围孔隙预测的通用框架。未来通过集成实时监测数据动态校准模型参数，有望进一步推动增材制造从"缺陷控制"到"功能设计"的范式转变。