《Additive Manufacturing》：SmartScan 2.0: An intelligent scanning approach for reduced residual stress and deformation in LPBF using a coupled linear thermoelastic model
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激光粉末床熔融（LPBF）能够制造复杂金属部件，但仍受残余应力累积和部件变形的限制。现有的多数LPBF扫描序列生成策略依赖启发式规则或经验优化，这些方法次优、难以跨几何形状泛化，且对问题的底层物理不敏感。SmartScan框架的提出旨在通过基于模型和优化驱动的
激光粉末床熔融（LPBF）能够制造复杂金属部件，但仍受残余应力累积和部件变形的限制。现有的多数LPBF扫描序列生成策略依赖启发式规则或经验优化，这些方法次优、难以跨几何形状泛化，且对问题的底层物理不敏感。SmartScan框架的提出旨在通过基于模型和优化驱动的扫描序列生成来克服这些局限性。SmartScan 1.0采用热模型优化温度均匀性，与最先进的启发式方法相比，显著降低了残余应力和变形。然而，其公式忽略了残余应力和变形的力学方面。为解决这一缺陷，一项初步研究引入了SmartScan 2.0（Pre），该版本利用解耦的线性热力学公式对二维几何进行扫描序列优化。在此基础上，本文提出基于顺序耦合线性热弹性模型的SmartScan 2.0，该模型同时求解温度场和位移场，以最小化三维几何中的热致弹性变形。SmartScan 2.0的计算效率通过无量纲缩放得以增强。在三维LPBF试件上的实验验证表明，与SmartScan 1.0相比，SmartScan 2.0实现了残余应力最高降低69.0%，变形最高降低17.4%；与SmartScan 2.0（Pre）相比，残余应力最高降低60.6%，变形最高降低12.8%。这项工作证明了使用耦合线性热力学模型进行扫描序列优化相对于现有的纯热模型或解耦热力学方法的优越性，且未显著牺牲计算效率。
论文解读：基于耦合线性热弹性模型的智能扫描优化方法SmartScan 2.0
**研究背景与问题**
激光粉末床熔融（LPBF）是航空航天、汽车、生物医学等领域广泛应用的金属增材制造核心技术。该工艺利用高能激光选择性熔融金属粉末层以构建三维几何结构，虽然能实现高精度和高致密度，但过程中固有的极端热环境——包括非均匀热输入、局部热量积累、陡峭温度梯度和快速冷却——会引发复杂的力-热交互作用，导致部件产生残余应力、变形、裂纹及相关缺陷。事后热处理虽可缓解残余应力，但增加成本和时间，且无法完全消除变形和开裂等固有缺陷。因此，在制造过程中控制温度和应力，并减少残余应力和变形的形成，对保证最终部件质量至关重要。
扫描策略是管理热条件和抑制缺陷的核心。现有研究多优化激光功率、扫描速度、层厚和扫描图案等参数，而扫描序列作为扫描策略的重要方面，决定了激光访问重复几何单元（特征）的顺序，深刻影响热历史、残余应力和部件变形。然而，现有扫描序列生成方法大多基于启发式规则或经验优化，依赖特征间几何关系（如距离）近似热传递，缺乏对LPBF底层热力动力学过程的感知，难以跨部件、材料和扫描图案泛化，常需针对特定案例调整或重新训练。
**研究目的与SmartScan框架演进**
为克服上述局限，研究人员引入SmartScan框架，旨在利用基于物理的模型和控制理论优化生成扫描序列。SmartScan 1.0采用基于物理的热模型优化温度均匀性，在三维几何上相比最先进的启发式序列显著降低了温度梯度、残余应力和变形，且计算效率适合实时应用。然而，热基优化方法（如SmartScan 1.0和Reinforced Scan）忽略了驱动残余应力和变形的力学因素，产生相同的扫描序列而不考虑力学边界条件。为此，研究人员提出SmartScan 2.0框架，其总体目标是采用线性热力学模型和目标函数，通过计算高效的控制理论优化，为每个LPBF层计算最优扫描序列。初步版本SmartScan 2.0（Pre）采用解耦线性热力学公式，将热场和力场分开处理，目标是最小化激光附近局部温度梯度并加权局部柔度信息，但该解耦公式和局部目标在某些场景下性能不如SmartScan 1.0。
**本文贡献与研究方法**
本文提出的SmartScan 2.0是一种改进和泛化的方法，其核心创新包括：（1）引入基于顺序耦合线性热弹性模型的控制理论优化方法，逐层最小化整个部件的热致弹性变形；（2）将无量纲化公式纳入所提方法，实现高计算效率和可扩展性；（3）通过二维金属板激光标刻和三维悬臂梁打印实验案例，证明SmartScan 2.0相比SmartScan 1.0和SmartScan 2.0（Pre）能显著降低残余应力和变形，且不牺牲计算效率。
SmartScan 2.0采用线性热力学模型作为物理代理，模型忽略辐射传热、潜热、马兰戈尼对流等非线性效应，假设材料参数与温度无关，使用高斯热源模型。热模型采用有限差分法（FDM）离散，状态方程为T(l+1)=AT(l)+Bu(l)。力学模型采用有限元法（FEM）求解准静态线性热弹性问题，基于平衡方程?·σ=0，本构关系σ=D(ε?ε_th)，其中热应变ε_th=βΔTI。通过虚功原理推导弱形式，得到全局方程KW=F_th。SmartScan 2.0的目标函数为弹性变形度量D(l_f,N_f)=‖K^{-1}LT(l_f,N_f)‖?，即扫描完每个特征后整个部件的弹性变形向量范数。优化问题转化为选择使λ_f最小的特征f*，其中λ_f可预计算。
**关键技术与方法**
研究人员采用顺序耦合线性热弹性模型，该模型将热场和位移场耦合求解：每扫描一个特征更新一次温度场，并用该温度场求解一次位移场。热模型基于有限差分法，考虑部件内部及与环境的对流换热，顶部表面对流系数h，底部基板作为恒温散热器，侧边绝热。力学模型基于有限元法，使用8节点六面体单元，材料为各向同性线弹性，考虑热应变。优化采用控制理论方法，通过预计算ε_f、γ_f、δ_f加速特征选择。无量纲化基于相似理论，引入特征长度?、热扩散时间τ=?2/α、特征温度差Θ等尺度，将控制方程无量纲化，使计算成本几乎与空间尺寸无关。实验验证采用开放架构PANDA 11 LPBF系统，二维板实验使用AISI 316L不锈钢板（50mm×50mm×0.6mm），岛形扫描图案，100个岛屿，每个岛屿5mm×5mm，内部25条双向扫描矢量，间距200μm。三维悬臂梁实验使用316L不锈钢粉末，层厚50μm，扫描间距100μm，矢量扫描图案，每层旋转90°。试件从基板切下后测量变形，残余应力使用X射线衍射仪（XRD）测量。
**实验结果**
案例1（二维金属板激光标刻）：在左、右边缘固定条件下，SmartScan 2.0相比SmartScan 1.0和SmartScan 2.0（Pre）将最大变形分别降低23.9%和30.9%，平均变形分别降低49.0%和31.1%（夹紧状态）；卸载后最大变形降低23.8%和30.7%，平均变形降低33.8%和49.4%。在左、下边缘固定条件下，SmartScan 2.0相比SmartScan 1.0和SmartScan 2.0（Pre）将最大变形降低24.4%和16.6%，平均变形降低35.1%和37.3%（夹紧状态）；卸载后最大变形降低24.1%和16.5%，平均变形降低29.9%和42.1%。温度均匀性度量R_f方面，SmartScan 1.0最优，但SmartScan 2.0优于SmartScan 2.0（Pre）。弹性变形度量D_f方面，SmartScan 2.0在两种边界条件下均最低，相比SmartScan 2.0（Pre）和SmartScan 1.0降低33.3%和33.3%（条件1），以及33.3%和20.0%（条件2）。
案例2（三维悬臂梁打印）：三根悬臂梁分别用SmartScan 1.0、SmartScan 2.0（Pre）和SmartScan 2.0打印。SmartScan 2.0相比SmartScan 1.0和SmartScan 2.0（Pre）将最大变形分别降低7.9%和8.5%，平均变形降低17.4%和12.8%。残余应力方面，SmartScan 2.0相比SmartScan 1.0和SmartScan 2.0（Pre）将x方向平均残余应力降低69.0%和46.4%，y方向平均残余应力降低34.6%和60.6%。打印时间方面，SmartScan 2.0相比SmartScan 1.0缩短7.8%，但比SmartScan 2.0（Pre）稍长（32.0分钟 vs 28.7分钟）。所有方法每层计算时间均低于15秒，满足实时要求。
**讨论与结论**
SmartScan 2.0通过引入全局弹性变形度量作为目标函数，该度量源自顺序耦合热弹性模型，比以往纯热模型或解耦热力学代理更物理信息丰富。直接最小化弹性变形可减少塑性应变的可能性，而塑性应变是残余应力和变形的根源。实验证明SmartScan 2.0在二维和三维案例中均优于SmartScan 1.0和SmartScan 2.0（Pre），且计算效率高，每层运行时间低于15秒，总打印时间与SmartScan 1.0相当或略有改善（三维案例快7.8%）。这支持实时实施和与商业切片软件集成。未来工作将扩展至温度相关材料属性、简化塑性模型，以及更复杂的数值离散和网格策略，并评估对微观结构、表面粗糙度和孔隙率的影响，向闭环多物理场优化发展。
**研究结论翻译**
本文提出了SmartScan 2.0，一种基于模型、优化驱动的LPBF扫描序列生成方法。该方法扩展了SmartScan 1.0的热公式和SmartScan 2.0（Pre）的解耦热力学方法，采用顺序耦合热弹性模型，顺序求解温度和弹性位移场。SmartScan 2.0的无量纲化公式支持可扩展性和实时执行。关键结论包括：（1）SmartScan 2.0引入了一种新颖的扫描序列优化代理，即弹性变形度量，作为全局目标，该代理比启发式、纯热或解耦热力学代理更具物理信息，通过直接最小化弹性变形减少塑性应变的可能性。（2）SmartScan 2.0有效降低残余应力和变形：二维案例中最大和平均变形最多降低30.7%和49.4%；三维案例中最大变形降低8.5%，平均变形降低17.4%，残余应力最高降低69.0%。（3）SmartScan 2.0计算高效且实用，每层运行时间低于15秒，总打印时间与SmartScan 1.0相当或略有改善（三维案例快7.8%），支持实时实施和商业切片集成。
