《Proceedings of the Design Society》：Design for AM: the impact of the shell feature on the residual stress in directed energy deposition components
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残余应力是增材制造（Additive Manufacturing, AM）过程中固有存在的现象，其根源在于沉积到成形基板上的材料经历了热循环。制造工具路径可对构件内部残余应力分布的形成产生显著影响。本文考察了壳层特征（shell feature）的影响，以形成
残余应力是增材制造（Additive Manufacturing, AM）过程中固有存在的现象，其根源在于沉积到成形基板上的材料经历了热循环。制造工具路径可对构件内部残余应力分布的形成产生显著影响。本文考察了壳层特征（shell feature）的影响，以形成若干设计启发式规则，用于指导在关注残余应力时是否应纳入该特征。结果表明，壳层特征确实会提高打印过程中观测到的残余应力，但该影响会在工艺完成后的冷却制度作用下得到缓解。
本文发表于《Proceedings of the Design Society》，围绕增材制造（Additive Manufacturing, AM）中定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）构件的残余应力（residual stress）问题展开，重点评估切片与工具路径中常见的壳层特征（shell feature）对残余应力演化的影响，并尝试为面向增材制造设计（Design for AM）提供可操作的设计启发。研究背景在于：DED因适用于单件和小批量制造、可实现近净成形（near-net shape）、能够降低后处理需求并适配复杂几何构件，而在按需备件、几何优化构件和原型制造等场景中日益受到重视。然而，DED过程中局部高热输入及重复热循环会在材料中引入非均匀残余应力，这种应力不仅可能导致零件变形、尺寸偏差和结构完整性下降，还会使构件实际性能偏离有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）基于原材料性能参数所得出的理想预测。尤其在零件从打印基板释放后，残余应力可能通过“回弹”（ping-back）现象集中释放，导致明显失稳和形变。因此，若能在设计阶段理解并预判几何特征和路径策略对残余应力的作用，就有可能减少额外热处理等后工序，并为设计人员提供更具工程可用性的决策依据。
目前该领域的主要问题在于，虽然残余应力的形成机制已被普遍认识，但设计层面的通用规则仍明显不足。既有研究表明，薄壁与厚壁几何会诱导不同性质的残余应力分布；同时，通过遗传算法（genetic algorithm）或自适应路径生成等策略优化工具路径，的确能够降低预测残余应力，但此类方法高度依赖热-力耦合数值模拟，通常需要高性能计算（High-Performance Computing, HPC）资源，计算成本较高，难以直接转化为一般设计人员可快速调用的经验规则。因此，本研究所针对的知识空白在于：切片软件中广泛存在、却缺少残余应力层面系统评估的壳层特征，究竟会如何影响DED构件中的残余应力分布，以及这种影响是否足以构成面向设计的经验性建议。
为解决上述问题，研究人员构建了一个数值实验，对比分析“启用壳层”与“不启用壳层”两种工具路径下DED壁状构件的残余应力演化。研究对象为一尺寸为30 mm × 60 mm × 15 mm的壁状构件，制造于70 mm × 100 mm × 10 mm基板之上。两组路径均采用沿60 mm长度方向的线性填充，其中一组在填充前增加两道壳层沉积。研究人员采用Python生成路径，并在Abaqus中建立顺序耦合热-力有限元（sequentially coupled thermal-mechanical Finite Element）模型，将基板与待制造区域分别定义，其中制造域单元初始为非激活状态，随沉积过程逐步激活，以模拟真实材料堆积。热分析与静力分析分别使用DC3D8与C3D8网格，网格尺度为0.9 mm。热源模型采用Goldak热源分布，打印阶段（PRINTING）使用2 kW激光功率、0.5 s时间步、初始环境温度26°C，并设置膜换热与辐射边界；材料采用Inconel625，参数取自已在Abaqus增材制造教程中验证过的文献数据。随后开展冷却阶段（COOLING），关闭激光并使构件在基板上自然冷却100 s，按10 s间隔推进。热历史以节点温度（NT）形式导入静力模型，最终得到应力张量场（S）及Von Mises应力分布。计算任务运行于University of Bristol的BluePebble异构高性能计算平台，每个算例调用16个CPU核心与40 GB Nvidia A100 GPU资源。
研究中采用的主要关键技术方法可概括如下：第一，基于Python生成两组DED工具路径，对比“线性填充”和“带双壳层的线性填充”两种沉积策略；第二，采用Abaqus顺序热-力耦合有限元模型，通过单元激活（element activation）模拟逐道逐层沉积过程，并以Goldak热源表征激光输入；第三，利用打印阶段与冷却阶段分步模拟提取节点热历史和残余应力场，重点比较构件内部Von Mises应力总量、应力直方分布以及中间层空间应力分布，从而识别壳层特征对残余应力的影响模式。本文未涉及样本队列研究，属于纯数值模拟研究。
在研究结果部分，论文首先通过“Simulation statistics”说明两组模拟在计算规模与求解过程上的一致性。热传导分析与静力分析在两种工况下运行时间接近，打印步增量数的差异主要源于路径长度不同；静力分析则因收敛需要在局部适当缩小时间步。生成的.odb文件体量较大，热分析结果文件达到1.7 GB，而静力分析为0.2 GB，体现出AM残余应力高保真建模的显著计算负担。该部分结果支持了后续比较的可信性，也进一步说明了发展低成本设计启发式的现实必要性。
在“Von Mises stress distribution through the component at the end of the simulation steps”相关结果中，研究人员比较了打印结束与冷却结束后构件内Von Mises应力的总体水平。结果显示，无论是否启用壳层特征，构件整体Von Mises应力总和差异均较小，在各阶段基本处于1%–2%范围内；但与打印结束相比，自然冷却后构件内应力总量显著增加，增幅约为40%。这表明，虽然壳层会影响打印阶段的应力形成，但后续冷却过程对最终残余应力状态的塑造作用更强。应力直方图进一步显示，打印结束时，应力峰值大致位于400附近，同时仍有相当一部分单元分布在100–300区间；冷却后，100–300区间单元明显减少，而约420附近的应力单元增多，说明冷却过程使先前中低应力区域整体向更高应力区间迁移。论文据此指出，打印阶段因壳层造成的分布差异，到自然冷却结束时已大体收敛。
在“Spatial stress distributions for a middle layer (7 mm) of the component”部分，研究人员考察了构件中部一层在两个阶段的空间应力分布。结果表明，在打印结束时，不论有壳层还是无壳层，几何周边区域、尤其是上下边缘位置都表现出更高应力；而在冷却结束后，主导高应力的位置则转移到构件内部单元，形成与打印阶段近似“反转”的应力空间格局。这一观察结果说明，残余应力并非在制造全过程中保持稳定分布，而是在打印与冷却不同阶段受到不同机制支配：打印阶段边界区域更易积聚高应力，而冷却阶段内部区域则成为高应力集中部位。
在讨论部分，论文明确指出壳层特征在打印阶段确实会提高残余应力，其可能机理在于：壳层先行沉积后形成约束边界，使后续线性填充在沉积与热收缩过程中更难自由扩展，从而抑制了应力松弛。尽管如此，这种由壳层带来的应力增加在冷却结束后并未持续存在，两类构件最终应力分布趋于相近。因此，相较于是否启用壳层，制造后的冷却制度对最终残余应力的影响更为显著。论文还指出，两种情形下冷却导致的应力升高分别约为43%与39%，壳层壁可能通过一定程度限制整体收缩，使应力增幅略低，但这一差异总体有限。研究人员据此强调，残余应力在不同制造阶段具有不同表现，工具路径和冷却策略都参与了其形成与调控；未来仍需在更多几何与更多路径类型上开展研究，以提炼更具普适性的设计启发式规则，并与过程优化方法形成互补。
本文结论部分可译述为：本文研究了壳层特征对定向能量沉积增材制造零件残余应力分布的影响。结果表明，壳层会在打印阶段提高残余应力，因为壳层限制了线性填充的应力松弛；然而，制造后的冷却制度在很大程度上削弱了这一影响，最终零件之间的差异控制在2%以内。若降低残余应力是优先目标，则建议关闭壳层特征可获得边际收益；但总体而言，在DED构件应力问题上，设计人员通常无需因使用壳层特征而过度担忧。
从研究意义看，本文并未试图提出高精度预测新模型，而是通过针对单一常见切片特征的数值对比，朝“面向设计的经验规则”迈出了一步。其价值在于为设计人员提供了一个较为明确的判断：壳层特征会影响打印中的应力演化，但对最终冷却后残余应力的影响有限，因此在实际设计决策中，应更优先关注冷却策略及更广义的路径控制问题。这一结论对于推动DED残余应力知识从高成本仿真走向设计启发具有直接参考价值。
