（文章來源：3D打印網）

算法用來模擬變化行為，聽起來可能比較費解。一個具體的生活例子，天氣的變化是地球周圍大氣運動變化的結果。物理學中的流體力學和熱力學的基本定律可用于分析大氣的運動變化，而這些定律可以用數學語言寫成數學方程。然后，人們利用大型計算機對這些數學方程求解，就預報出某一地區未來的氣壓、溫度、風向、風速以及降水量等……像國外weather.com上的天氣預報精準度高，也就是說他們的算法是很不錯的。

在金屬3D打印過程中，國際上對于激光3D打印熔池凝固行為的研究主要側重于溫度場，并通過對溫度場數據的后期二次處理間接獲得溫度梯度、熔池凝固速率等數據，無法在時間和空間上實現對凝固行為的主動跟蹤記錄。通過人為后期二次處理間接獲得熱物理數據，易存在數據點捕捉不準確，數據精度差等缺點，不利于對3D打印熔池凝固行為作精確分析。

南京航空航天大學顧冬冬教授團隊嘗試用算法來基于時間和空間的變化主動跟蹤激光3D打印熔池的凝固行為。這一點與天氣預報的邏輯可以說是有著異曲同工的妙處。

為什么要研究熔池的凝固行為呢？激光加工過程中，熔池的凝固行為對激光3D打印最終成形件的綜合性能具有至關重要的影響。凝固速率過慢引起的晶粒粗化將極大地降低材料強度；凝固速率過快易造成制件內部微裂紋和孔隙等加工缺陷，導致制件使用過程中的提前失效。同時，伴隨凝固行為產生的殘余應力集中問題與制件尺寸精度和表面粗糙度有密切聯系。

針對激光3D打印熔池凝固行為的數值模擬是一項涉及三維空間尺度和復雜物理冶金現象，包括質量、動量及熱量等多重傳遞的綜合性研究工作，以往對于激光3D打印熔池凝固行為的研究主要側重于溫度場，并通過對溫度場數據的后期二次處理間接獲得溫度梯度、熔池凝固速率等數據，無法在時間和空間上實現對凝固行為的主動跟蹤記錄。

激光3D打印過程具有高溫熔化粉體并伴隨有熔池快速冷卻的特點，實驗觀測-記錄-分析熔池凝固行為是不易實現的，但熔池凝固過程中涉及的溫度場、溫度梯度、熔池凝固速率等直接影響成形件服役性能，良好的凝固行為可削弱應力累積，并實現殘余應力的合理分布，有效降低成形件內部微裂紋和孔隙的產生，避免制件在承載過程中提前失效。

南京航空航天大學基于有限元模擬軟件，計算流程進行激光3D打印溫度場計算。采用牛頓-拉普森方法計算三維熱傳導控制方程，并使其計算迭代直至計算收斂，最終得到激光3D打印熔池溫度場、凝固速率、溫度梯度及熔池形態。

南京航空航天大學的方法包括如下步驟：在有限元模擬軟件中建立工件的計算幾何模型以及定義工件的材料屬性，并對工件進行網格劃分，最終獲得工件的三維有限元模型；針對第一步建立的三維有限元模型，建立控制方程；所述的控制方程為三維熱傳導方程，同時根據前述的三維有限元模型，設置三維熱傳導方程的初始條件、邊界條件；

根據第二步驟設置的初始條件以及邊界條件，采用牛頓-拉普森方法計算三維熱傳導方程，得到在三維有限元模型的不同位點施加高斯熱源時，三維有限元模型中各網格節點在3D打印過程中隨時間變化的溫度T，即得到三維有限元模型的溫度場；

南京航空航天大學的方法具有如下的有益效果：?建立對應關系: 利用計算機模擬激光3D打印過程，采用激光3D打印有限元模型，實現了對加工過程中熔池凝固行為在時間和空間上的主動跟蹤記錄，能夠更加準確地捕捉節點信息，記錄熱物理數據，進而分析并掌握激光3D打印過程熔池凝固行為，從而建立工藝-凝固行為-組織-性能之間的對應關系，為制定和優化復合材料加工工藝，改善3D打印成形件綜合性能提供理論指導。

準確：通過數值模擬、材料學和材料熱力學等多學科相結合，同時考慮了激光加工過程中粉體-連續固體-相變-凝固問題作用，通過對溫度場模型求解，并主動跟蹤計算相應點的凝固速率，準確獲得了加工過程中的熔池凝固行為，計算結果與實驗結果相吻合

（責任編輯：fqj）