Microstructure evolution in metal additive manufacturing (AM) is a complex multi-physics and multi-scale problem. Understanding the impact of AM process conditions on microstructure evolution and the resulting mechanical properties of the printed part is an active area of research. At the meltpool scale, the thermo-fluidic governing equations have been extensively modeled in the literature to understand the meltpool conditions and thermal gradients. In many phenomena governed by partial differential equations, dimensional analysis and identification of important dimensionless numbers can provide significant insights into the process dynamics. In this context, a novel strategy using dimensional analysis and the least-squares regression approach to investigate the thermo-fluidic governing equations of the Laser Powder Bed Fusion AM process is presented in this work. Through this approach, important dimensionless quantities influencing meltpool morphology are identified. The governing equations are solved using the Finite Element Method, and the model predictions are validated by comparing with experimentally estimated cooling rates, and with numerical results from the literature. Through dimensional analysis, an important dimensionless quantity - interpreted as a measure of heat absorbed by the powdered material and the meltpool, is identified. This dimensionless measure of heat absorbed, along with classical dimensionless quantities such as Peclet, Marangoni, and Stefan numbers, is used to investigate advective transport in the meltpool for different alloys. Further, the framework is used to study the variations of thermal gradients and the solidification cooling rate. Important correlations linking meltpool morphology and microstructure evolution related variables with classical dimensionless numbers are the key contribution of this work.


翻译:金属添加剂制造(AM)的微结构进化是一个复杂的多物理和多尺度问题。了解AM进程条件对微结构进化的影响以及由此而来的印刷部分机械特性是一个活跃的研究领域。在熔化池规模中,热流调节方程式在文献中被广泛模拟,以了解熔化池条件和热梯度。在许多由部分差异方程式制约的现象中,对重要无维数字的量分析和识别可以提供对过程动态的重大洞察。在这方面,使用量分析和最小方位回归法的微小战略,以调查激光粉末Bed Fusion AM 过程的热流流流流-流流流变变方程式。通过这一方法,确定了影响熔化池形态形态变化的重要无维量。使用Finite Element 方法解决了管理方程式,模型预测通过与实验性估计的冷却率和文献的数值流变化结果加以验证。通过量分析,一个重要的无维度数量被解释为热流变化的流变化度,通过粉状材料和熔化法度变变变变化的模型的计算,进一步使用粉状材料和熔化的数值,与粉状变变变变变化的计算,与粉变变化的计算,与粉变化的变化的数值和熔化法化法化的变化的变化的变化的变化的变化的变化,与粉变化的变化的变化的变化法是进一步使用。

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