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近日，西安交通大學數學與統計學院李義寶教授團隊在流體力學頂級期刊（Physics of Fluids）在線發表題為“Multi-scale modeling and simulation of additive manufacturing based on fused deposition technique”的研究論文。數學學院博士生夏青是論文的第一作者，李義寶教授是論文的通訊作者，西安交通大學是該論文的第一作者/通訊作者單位，研究的合作單位是韓國高麗大學（Korea University）。該研究成果被Physics of Fluids選為Featured (Editor's picks)文章（見圖1），并被AIP（美國物理學聯合會）Scilight專題報道。

圖1

增材制造（AM）是采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術，并在航空航天、新能源、醫療儀器等戰略新興產業領域被廣泛推廣和應用。當前研究階段，急需要提出一種適用于增材制造的多尺度、多物理場耦合模型。通過模型驅動生產，進一步為增材制造技術提供理論支撐，用于探測AM過程的冷卻、凝固、結晶和沉積等多種物理現象。同時，由于多個物理場耦合具有很強的非線性，需要開展大規模、高精度計算方法研究，使復雜的系統具有穩定的結構，并消除由各向異性、不連續性所引起的數值振蕩。該研究建立了一套針對增材制造中熔融沉積過程的數學模型，該過程使用高溫來創建復雜的幾何組件。該數學模型在晶體凝固模型的基礎上耦合了熱對流和熱輻射過程，并通過溫度和熱量傳導在多個尺度空間建立聯系，從而描述不同尺度空間下材料特性。該模型可以用來描述材料中的多種物理現象，包括冷卻、凝固、結晶和的熱熔性絲狀材料的沉積。

美國物理學聯合會AIP Scilight專訪了李義寶教授，并以“Mathematical model describes fused deposition for 3D printers”為題對研究成果進行了報道（見圖2）。該報道指出，“雖然多尺度模型在增材制造領域常被提及，但是還沒有基于熱熔融細絲擠壓技術的多尺度數學模型被建立起來”。 夏青等人為熱熔融技術建立了一套多尺度模型，為描述該制造過程中的多種物理現象提供了理論保證。李義寶教授接受采訪時提到，“缺乏多尺度理論模型為3D打印過程的預測能力提出了重大挑戰，這是因為快速變化的溫度場會帶來諸多計算難題，包括軌道的不均勻性、材料的球化效應和軌道間的空洞的計算和模擬。”研究人員正在進一步優化和改良該模型。同時，他們計劃為其他增材制造技術開發更通用的數學模型，如選擇性激光熔化技術和多材料增材制造技術。

圖2

Physics of Fluids論文鏈接:?https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0141316

AIP Scilight專訪報道鏈接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0017716

據了解，Scilight創辦于2017年6月，是美國物理聯合會出版社（AIP publishing）出版的網絡周刊，致力于挑選AIP發表的物理領域最新的、最具有代表性的文章，簡要總結其研究成果，并強調其在該領域的創新性和突破性。Scilight每年從AIP旗下30多個刊物中僅挑選300余篇物理領域內最值得關注的研究成果進行報道。

供稿：交大新聞網