1-16. High-throughput whole-process modeling of additive manufacturing of material materials

1-16. High-throughput whole-process modeling of additive manufacturing of material materials

Moubin Liu*,Zekun Wang
College of Engineering, Peking University (mbliu@pku.edu.cn)

Abstract: Modeling and simulation play a key role in additive manufacturing (AM) through improving yields, shortening R&D cycles, and predicting and correcting anomalies, and most importantly saving AM production costs. However, computational algorithms and computer modeling techniques for AM are still in the infancy stage, as the whole-process of AM involves multi-scale, multi-phase, and multi-physics with different algorithms and software. Moreover, in order to optimize material properties and processing parameters, high-throughput simulations with enormous data are necessary. 

         In this work, with the support of the National Key Research Project (Grant No.2018YFB0704000), for the first time, we achieved the high-throughput whole-process modeling of powder-scale additive manufacturing of material materials with the coupling of multi-scale algorithms and integration of a number of software. In methodology, we developed a semi-resolved CFD-DEM technique for powder transport or deposit. Together with the interface tracking technique and effective energy source model, the multi-phase powder melting can be modeled. Through linking the powder transport and powder melting, the whole process of AM can then be automatically studied. In applications, the self-controllable code is implemented in high performance computers with multiple cores and multiple tasks to realize high-throughput simulations. As such, high-throughput whole-process simulations are conducted to analyze and optimize material properties and processing parameters, while this can be significantly important in AM.

 

金属增材制造高通量数值模拟与仿真

刘谋斌*,王泽坤
北京大学工学院

摘要:增材制造(即“3D 打印”)减少了传统制造工艺在优化设计、结构创新及复杂结构制造上 的困难,为下一代工业革命奠定了基础。模拟与仿真可以提升增材制造产能,缩短材料与产品 研发周期,预测及修正产品瑕疵,降低生产成本,在增材制造过程中起着关键的作用。金属增 材制造过程涉及多尺度、多相、多物理场等复杂特征,其数值模拟需要发展与耦合不同尺度的方法,并在海量工艺及材料参数下进行过程仿真。目前国内外在这一方面的工作处于萌芽状态, 仅有非常少量的研究报道,关键算法与模拟平台缺失。

      本文在材料基因工程关键技术与支撑平台国家重点研发计划(2018YFB0704000)的支持下, 通过多尺度材料计算方法的耦合与软件的集成应用,实现了金属增材制造过程铺粉/输粉到熔融 凝固全过程自动流程模拟。在方法上,发展了基于粒子方法-网格方法的耦合技术,结合有效的 能量热源模型与界面追踪及重构技术,再现了增材制造中金属粉末颗粒的运动(输粉、铺粉) 与熔融凝固的全过程,实现粉床上多道乃至多层熔融的数值模拟。在应用方面,结合正在发展的高通量与并行计算技术,可以分析众多工艺参数(激光参数、粉末参数等)下金属增材制造 工艺工程中的复杂物理现象,进行过程仿真与参数优化,研究金属增材制造过程中孔隙、缺陷、 熔池流动、未融合、物质飞溅与熔道剥蚀等关键而目前基本空白却又至关重要的问题,对发展 增材制造自主可控算法与模拟平台具有重要意义。

Brief Introduction of Speaker
刘谋斌

北京大学工学院教授。主要从事计算(流体)力学、流固耦合力学、 多尺度与多相流动及先进制造数值模拟与仿真相关的研究与教学工作。 出版英文专著两部,在《Journal of Computational Physics》、《Physics of Fluids》、《Archives of Computational Methods in Engineering》等期刊上发表论文 110 多篇,引用 7000 多次,其中五年内 SCI 他引 1500 多次。是 Engineering Analysis with Boundary Elements 与 International Journal of Computational Methods 副主编及其他多种国内外期 刊的编委,ICCP、ICCM 及 ICMMES 等多个重要系列国际会议的科学委员会委员;2008 年以来 曾 60 多次应邀在国内外重要学术会议、MIT 及加州大学伯克利分校等世界著名大学做大会、专 题或邀请报告,包括近 20 次大会报告。获得了一系列有国际影响力的荣誉和奖励,包括 2001 年 MIT 计算力学奖、2005 年新加坡李光耀杰出研究奖、2007 年亚太计算力学青年研究奖、2010 年中科院“百人计划”、2012 年中国侨界贡献奖、2016 年世界华人计算力学学会杰出研究员奖、 2017 年教育部自然科学类一等奖,2018 年世界华人计算力学学会计算力学奖,以及 2019 年国 际计算方法大会国际计算方法奖;2015 年以来蝉联入榜 Elsevier 计算力学领域中国高被引学者。

Email: mbliu@pku.edu.cn