德國弗萊堡弗勞恩霍夫材料力學研究所 (IWM) 的研究人員開發了一種在微觀結構層面模擬雷射束粉末床熔合 (PBF-LB) 增材製造工藝的方法，以確定材料與材料之間的直接相關性，該方法是結合多種不同模擬方法的結果，將能夠確定最佳工藝參數，例如雷射的掃描速度或功率。
L-PBF加工過程的光線追蹤模擬
Fraunhofer IWM
/ 確定最佳工藝參數
金屬晶粒的微觀結構對於零部件的機械性能尤為重要：它們具有特定的方向、尺寸和形狀，對重要的機械性能有影響。然而，在 L-PBF雷射粉末床熔融3D列印過程中很難確定最佳工藝參數，尤其是當組件由形成不同微結構的材料混合物製成時。
L-PBF的3D 列印過程仿真鏈，從粉末到機械特性
Fraunhofer IWM
使用離散元方法，弗勞恩霍夫Fraunhofer IWM 的研究人員首先模擬了粉末顆粒如何通過刮刀鋪散開來。接下來，通過光滑粒子流體動力學方法模擬粉末顆粒熔體的方式——計算雷射相互作用和熱傳導，以及導致熔體流動的表面張力，計算還考慮了重力和 材料蒸發時產生的反衝壓力。
模擬過程還需要描述材料的微觀結構，以便預測材料的機械性能。為了分析這種微觀結構，弗勞恩霍夫Fraunhofer IWM採用了另一種模擬方法，稱為元胞自動機。根據百度百科，不同於一般的動力學模型，元胞自動機不是由嚴格定義的物理方程或函數確定，而是用一系列模型構造的規則構成。凡是滿足這些規則的模型都可以算作是元胞自動機模型。因此，元胞自動機是一類模型的總稱，或者說是一個方法框架。其特點是時間、空間、狀態都離散，每個變量只取有限多個狀態，且其狀態改變的規則在時間和空間上都是局部的。
雷射熔池中柱狀微結構形成的模擬
Fraunhofer IWM
3D科學谷了解到Fraunhofer IWM 團隊的模擬過程根據溫度梯度的函數描述了金屬晶粒如何生長。雷射與粉末相遇的溫度最高可達 3,000ºC，而只有幾毫米遠的材料會很冷，雷射以高達每秒幾米的速度在粉末床上移動。結果，材料升溫非常快，然後在幾毫秒內再次冷卻，所有這些都會影響微觀結構的形成方式。
最後一步是有限元模擬，3D科學谷了解到Fraunhofer IWM 研究團隊對材料的代表性體積進行不同方向的拉伸測試，以了解材料對這些載荷的反應。由此，Fraunhofer IWM創建了一種過程-結構-特性關係，例如，如果增加雷射功率，微觀結構就會發生變化。反過來，這會顯著影響材料的屈服應力。
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