Multiphysics-Multiscale Simulation of Additively Manufactured Functional Materials

Powder Bed Fusion (PBF), a popular additive manufacturing technique for metallic materials, has demonstrated both in industry and academia its flexibility and rapidness in creating novel and complex geometries, forming a critical component in the anticipated breakthrough of advanced material manufacturing. In this regard, establishing a transferable process-microstructure-property relationship for PBF-processed functional materials is crucial for achieving sustainable and reproducible manufacturing, yet previous studies have not fully covered this topic. Modeling and simulation of PBF processes aim to complement the current costly and time-consuming trial-and-error approach with an efficient computational design tool. Yet, this remains a significant challenge due to the sophisticated and interactive nature of the underlying physics, encompassing a wide range of time and length scales and heavily reliant on processing parameters like beam size, power, and scan speed. A comprehensive framework that accounts for scale effects and multiphysics interactions is therefore vital for reliable modeling and simulation of process-microstructure-property relationships.

This work is dedicated to developing a multiphysics-multiscale simulation framework, aiming to thoroughly investigate the process-property relationships in functional materials and further facilitate the simulation-guided property tailoring. It starts by modeling the PBF process with various complex and interactive physical processes using the based on the principles of non-equilibrium thermodynamics and fluid dynamics, including but not limited to coupled mass and heat transfer, melting and (re)solidification, grain growth, and cross-coupling effects. The developed PBF models are then integrated into a larger framework together with simulations of mesoscopic residual stress generation, nanoscopic solid-state phase transitions, and nanostructure-based magneto-elastic coupled micromagnetics. Meanwhile, a multilayer scheme is also proposed and integrated to bring the process simulations close to the practical PBF manufacturing. The framework is methodically structured to ensure clarity and depth, with emphasis on key concepts with corresponding physical backgrounds. Models employed in this framework are numerically implemented by finite element and finite difference methods, incorperated with other approaches, including discrete element and CALPHAD methods.

By employing the established framework, this work conducts batched high-performance computations, followed by regression analyses, to derive phenomenological relations between PBF-processing parameters and the resultant material properties. These properties include porosity, fusion zone geometry, residual stress, plastic deformation, effective elasticity, and magnetic hysteresis. Beyond delivering process-property relationships, the work proposes a novel powder-resolved mechanism to elucidate mesoscale residual stress formation, and uncovers the sensitivity of local magnetic coercivity to residual stress states in PBF-processed Fe-Ni permalloy. PBF-associated melt pool control and nanoparticle tracing are also sufficiently investigated and validated with experimental observations, delivering a dimensionless allometric scaling law for predicting and controlling melt pool width and statistic insights of nanoparticle dispersion and agglomeration in PBF processes, respectively.

The proposed multiphysics-multiscale simulation framework is anticipated to enrich the computational toolkits, thereby supporting sustainable manufacturing and the development of digital twins for functional materials.

Pulverbettfusion (Powder Bed Fusion, PBF), ein beliebtes additives Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe, hat sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft seine Flexibilität und Schnelligkeit bei der Herstellung neuartiger und komplexer Geometrien unter Beweis gestellt und stellt eine entscheidende Komponente für den erwarteten Durchbruch der modernen Werkstoffherstellung dar. In diesem Zusammenhang ist die Schaffung einer übertragbaren Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehung für PBF-verarbeitete Funktionswerkstoffe von entscheidender Bedeutung, um eine nachhaltige und reproduzierbare Herstellung zu erreichen, aber bisherige Studien haben dieses Thema nicht vollständig abgedeckt. Die Modellierung und Simulation von PBF-Prozessen zielt darauf ab, die derzeitige kostspielige und zeitaufwändige Versuch-und-Irrtum-Methode durch ein effizientes rechnergestütztes Designwerkzeug zu ergänzen. Aufgrund der komplexen und interaktiven Natur der zugrundeliegenden Physik, die ein breites Spektrum an Zeit- und Längenskalen umfasst und stark von Prozessparametern wie Strahlgröße, Leistung und Scangeschwindigkeit abhängt, bleibt dies jedoch eine große Herausforderung. Eine umfassender Plattform, die Skaleneffekte und Multiphysik-Interaktionen berücksichtigt, ist daher für eine zuverlässige Modellierung und Simulation von Prozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen unerlässlich.

Diese Arbeit widmet sich der Entwicklung einer Multiphysik-Multiskalen-Simulationsplattform, die darauf abzielt, die Prozess-Eigenschaftsbeziehungen in Funktionswerkstoffen gründlich zu untersuchen und die simulationsgestützte Eigenschaftsanpassung weiterzuentwickeln. Zunächst wird der PBF-Prozess mit verschiedenen komplexen und interaktiven physikalischen Prozessen modeliert, dabei wird auf die Grundsätze der Nichtgleichgewichtsthermodynamik und der Fluiddynamik zur"uckgegriffen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf gekoppelten Massen- und Wärmetransfer, Schmelzen und (Wieder-)Erstarren, Kornwachstum und Kreuzkopplungseffekte. Die entwickelten PBF-Modelle werden dann zusammen mit Simulationen der mesoskopischen Eigenspannungserzeugung, nanoskopischer Festkörperphasenübergänge und nanostrukturbasierter magneto-elastischer gekoppelter Mikromagnetik in einen größeren Plattform integriert. Gleichzeitig wird auch ein Mehrschichtschema vorgestellt und integriert, um Prozesssimulationen und praktische PBF-Fertigung anzunähern. Der Plattform ist methodisch strukturiert, um Klarheit und Tiefe zu gewährleisten, wobei der Schwerpunkt auf Schlüsselkonzepten mit entsprechendem physikalischem Hintergrund liegt. Die in diesem Plattform verwendeten Modelle werden numerisch durch Finite-Elemente- und Finite-Differenzen-Methoden implementiert, die mit anderen Ansätzen, einschließlich diskreter Elemente und CALPHAD-Methoden, kombiniert werden.

Unter Verwendung der etablierten Plattform werden in dieser Arbeit gebündelt Hochleistungsberechnungen durchgeführt, gefolgt von Regressionsanalysen, um phänomenologische Beziehungen zwischen PBF-Verarbeitungsparametern und den daraus resultierenden Materialeigenschaften abzuleiten. Zu diesen Eigenschaften gehören Porosität, Geometrie der Schmelzzone, Eigenspannung, plastische Verformung, effektive Elastizität und magnetische Hysterese. Die Arbeit liefert nicht nur Prozess-Eigenschaftsbeziehungen, sondern schlägt auch einen neuartigen, Mechanismus auf der Längenskala des Pulvers vor, um die Bildung von Eigenspannungen auf der Mesoskala aufzuklären, und deckt die Empfindlichkeit der lokalen magnetischen Koerzitivfeldstärke gegenüber Eigenspannungszuständen in einer PBF-verarbeiteten Fe-Ni-Permalloy auf. Die PBF-assoziierte Schmelzbadkontrolle und die Verfolgung von Nanopartikeln werden ebenfalls hinreichend untersucht und mit experimentellen Beobachtungen validiert, wobei ein dimensionsloses allometrisches Skalierungsgesetz zur Vorhersage und Kontrolle der Schmelzbadbreite sowie statistische Erkenntnisse über die Dispersion und Agglomeration von Nanopartikeln in PBF-Prozessen gewonnen werden.

Der vorgeschlagene Multiphysik-Multiskalen-Simulationsplattform wird voraussichtlich die Berechnungswerkzeuge bereichern und dadurch die nachhaltige Herstellung und die Entwicklung digitaler Zwillinge für funktionelle Materialien unterstützen.