根據3D科學谷《導電材料的增材製造及全篇總結 l 3D列印+拓撲優化=下一代電機》一文，3D列印的導電元件和導磁元件都受到有限的多材料列印能力的影響。最突出的是，這會導致列印軟磁通量引導中的渦流損耗增加，並在形成可靠的繞組匝間絕緣方面面臨挑戰。3D列印硬磁材料仍處於早期研究階段。仍需要進一步優化工藝。
來自達姆施塔特工業大學材料科學研究中心的Yangyiwei Yang等，開發了一種粉末分辨的多物理多尺度仿真方案，用以研究在接近實驗情況下，如何通過調控AM的殘餘應力來對Fe-Ni合金的磁滯回線進行調節。
Fig. 1 Emerging issues during additive manufacturing of Fe-Ni permalloy.
/ 調節矯頑力
近幾十年來，Fe-Ni合金由於其出色的磁導率、低矯頑力、高飽和磁化、機械強度和磁電特性，受到了廣泛研究。近年來，增材製造（AM）技術已成為設計軟磁性材料的一種途徑。有研究表明，由AM引起的殘餘應力和潛在的相變可能是調節AM加工Fe-Ni合金矯頑力的關鍵因素。
然而，由於工藝條件和所產生性質之間的細微相互作用，理解AM中的殘餘應力及其與其他物理過程（如熱傳遞、物質傳遞、晶粒粗化與合併以及相變）的相互作用仍然非常困難。例如，溫度梯度機制通過考慮採用理想均勻層來生成殘餘應力，考慮加熱方式和冷卻方式，與合金通過AM的實驗條件明顯不同。
Fig. 2 Multiphysics-multiscale simulations scheme proposed in this work.
Fig. 3 Simulated thermal-microstructural evolution during SLS single scan.
通過考慮時間-空間差異，作者仔細研究了潛在的物理過程，包括耦合的熱結構演化、化學有序無序轉變和相關的熱彈塑性行為。他們從不同的方面分析和討論了工藝參數（尤其是光束功率和掃描速度）的影響，包括熔合區的大小、殘餘應力和累積塑性應變的發展、殘餘應力下的γ=γ』轉變以及由此產生的製造零件的矯頑磁力等。
Fig. 4 Development of stress and plastic strain during SLS single scan.
該工作為AM生產坡莫合金的的工藝參數和優化方案方面的選擇上提供了指導，並對在非常規工藝中調控軟磁材料的磁滯特性提供了全面的理解。相關論文近期發表於npj Computational Materials 9: 103 (2023).
Fig. 5 γ=γ0 transitions and magneto-elastic responses of stressed nanostructures.
/ 摘要
Abstract Designing the microstructure of Fe-Ni permalloy produced by additive manufacturing (AM) opens new avenues to tailor its magnetic properties. Yet, AM-produced parts suffer from spatially inhomogeneous thermal-mechanical and magnetic responses, which are less investigated in terms of process modeling and simulations. We present a powder-resolved multiphysics-multiscale simulation scheme for describing magnetic hysteresis in AM-produced material, explicitly considering the coupled thermal-structural evolution with associated thermo-elasto-plastic behaviors and chemical order-disorder transitions. The residual stress is identified as the key thread in connecting the physical processes and phenomena across scales. By employing this scheme, we investigate the dependence of the fusion zone size, the residual stress and plastic strain, and the magnetic hysteresis of AM-produced Fe21.5Ni78.5on beam power and scan speed. Simulation results also suggest a phenomenological relation between magnetic coercivity and average residual stress, which can guide the magnetic hysteresis design of soft magnetic materials by choosing appropriate processing parameters.
摘要：通過增材製造（AM）來設計Fe-Ni合金的微觀結構，為調控其磁性能開闢了新的途徑。然而，AM的零件在空間上存在非均勻的熱機械和磁響應，且這方面的工藝建模和仿真研究相對較少。我們提出了一個以粉末為解析度的多物理多尺度仿真方案，用於描述AM材料中的磁滯回線，並考慮了熱-結構演化與相關的熱彈性塑性行為，以及化學有序-無序轉變的耦合。殘餘應力被確定為連接各尺度上的物理過程和現象的關鍵要素。通過採用這個方案，我們研究了AM的Fe21.5Ni78.5 材料的熔合區大小、殘餘應力和塑性應變、以及磁滯回線與光束功率和掃描速度之間的依賴。仿真結果表明，磁鐵矯頑力與平均殘餘應力之間存在一種現象級關係，可以通過選擇適當的加工參數來指導軟磁性材料的磁滯回線設計。
論文：
Tailoring magnetic hysteresis of additive manufactured Fe-Ni permalloy via multiphysics-multiscale simulations of process-property relationships (通過對過程-性質關係的多物理-多尺度模擬，量身定製增材製造鐵鎳坡莫合金的磁滯特性)
Yangyiwei Yang, Timileyin David Oyedeji, Xiandong Zhou, Karsten Albe & Bai-Xiang Xu