本文導(dǎo)讀目錄：
2、自然子刊：AM Inconel 718薄壁的工藝、結(jié)構(gòu)和性能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析
「科技動(dòng)態(tài)」3D打印即將“起飛”
CFM LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴系統(tǒng)于2015年在，這是首批因3D打印而廣為人知的航空航天系統(tǒng)之一，去年，該工廠生產(chǎn)了第30000個(gè)燃油噴嘴頭，該工藝也用于GEnx PDOS支架，GE還開發(fā)了GE Catalyst。
這是一種渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)，可將855個(gè)常規(guī)零件組合成12個(gè)組件，而GE9X則將300多個(gè)常規(guī)零件組合成僅7個(gè)3D打，GE航空表示已經(jīng)確認(rèn)了80多個(gè)要使用3D打印的零件，圖3 位于布拉格GE航空試驗(yàn)設(shè)施中上的GE Cat，圖1 ORNL 3D打印的777X機(jī)翼加工工裝。
另一位EOS客戶能夠通過3D打印減輕重量，他們把裝在衛(wèi)星內(nèi)部一塊面包大小的鋁制小盒子，通過增材制造，使其重量減少了20％左右，那也許不超過一兩磅，但是當(dāng)你談?wù)撚行лd荷時(shí)。
每磅就代表數(shù)千美元，發(fā)明可沖蝕的工裝，ExOne在航空航天領(lǐng)域也很活躍，自2002年以來，ExOne的Sand 3D打印機(jī)已進(jìn)入包括航空航天，它們制造用于金屬鑄造的型芯，現(xiàn)在設(shè)計(jì)一個(gè)模具、獲得一個(gè)好零件的時(shí)間已經(jīng)能夠從數(shù)。
除了增加復(fù)雜性而不增加成本和模具存儲(chǔ)之外，3D打印還允許快速的設(shè)計(jì)迭代，鑄造廠正在走向3D打印，3D打印砂型鑄造已被積極采用，引發(fā)根本性的改變，GE還通過收購德國概念激光公司和瑞典Arcam A，投資了這項(xiàng)技術(shù)，隨著GE增材制造部門的發(fā)展。
其業(yè)務(wù)可以在數(shù)小時(shí)而不是數(shù)月內(nèi)給出反饋并進(jìn)行調(diào)整，隨著公司繼續(xù)發(fā)展增材制造工程和制造能力，這些投資使GE航空成為了更好的增材制造設(shè)備供應(yīng)商，ORNL認(rèn)為GE為推動(dòng)3D打印在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，圖7 正在激光增材機(jī)床中生產(chǎn)的零件，航空航天迎來新金屬，空客正在與Autodesk的生成設(shè)計(jì)合作。
使用人工智能重新設(shè)計(jì)面向其它制造技術(shù)設(shè)計(jì)而現(xiàn)在要用，2015年，空客推出了所謂的“仿生隔板”，這是一種金屬3D打印墻和后座支撐結(jié)構(gòu)，將客艙和飛機(jī)廚房分隔開，該隔板比常規(guī)制造的隔板輕約45％，空客打算為A320飛機(jī)生產(chǎn)該隔板。
不過，空客預(yù)計(jì)金屬3D打印的成本將下降得更快，Autodesk正在稍微修改設(shè)計(jì)，使其具有許多相同的優(yōu)點(diǎn)，這第二種設(shè)計(jì)要求3D打印隔板的塑料模具，該模具將用已經(jīng)鑒定可以飛行的合金鑄造。
模具仍然允許設(shè)計(jì)為更復(fù)雜的形狀，該隔板的第二個(gè)版本正在認(rèn)證過程中，ExOne發(fā)明了一種沖蝕工裝用于層壓復(fù)合材料（包括，ExOne開發(fā)了一種用水沖洗3D打印工裝的工藝，材料在高達(dá)180攝氏度時(shí)仍保持水溶性。
該工藝正用于為洛克希德·馬丁公司的子公司西科斯基以，ExOne還提供了完整的金屬3D打印機(jī)系列，可以直接打印諸如Inconel 718之類的金屬，它還可以打印諸如碳化硅之類的陶瓷，3D打印已經(jīng)能夠滲透到航空航天領(lǐng)域，人們傾向于擁有更復(fù)雜的鑄件，ExOne與西科斯基做了很多工作。
3D打印也被視為使用較輕材料的一種方式，除鈦外，此類材料還包括鋁、碳纖維和復(fù)合材料，對(duì)于某些零件，重量可以減少約一半。
輕量化至關(guān)重要——東西越重，將其保持在空中所需的能量就越大，航空航天工業(yè)愿意為增材制造零件支付溢價(jià)，所有的航空航天企業(yè)都做過計(jì)算，并宣稱增材制造是如何提高其競(jìng)爭力的，由聚合物制成的3D打印備件已經(jīng)用在了A350 XW。
一些A320neo和A350 XWB試驗(yàn)飛機(jī)配備了，公司表示，更多的金屬零件正在認(rèn)證過程中，空客使用的特殊增材制造技術(shù)，包括細(xì)絲沉積和粉末床聚合物技術(shù)、金屬粉末床和金屬線，目前，空客對(duì)可用于3D打印的材料數(shù)量感到滿意，在航空工業(yè)中使用ALM的合格鑒定工作在成本和時(shí)間上。
因此，空客公司的重點(diǎn)是在確認(rèn)了價(jià)值創(chuàng)造機(jī)遇的幾種知名金屬，圖2 位于布拉格試驗(yàn)臺(tái)上的GE Catalyst發(fā)，通用電氣公司一直是最主要的增材制造采用者之一，CFM是GE航空與法國賽峰集團(tuán)之間的平股合資企業(yè)。
擁有四個(gè)經(jīng)過美國聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證的3D打印零件，它們是用于GE90-94B的T25傳感器和CFM ，以及GEnx-2B電動(dòng)門開啟系統(tǒng)（PDOS）支架和，空客以其他方式擴(kuò)大了對(duì)增材制造的使用，五年前。
公司開始使用3D打印或所謂的“添加層制造（ALM），空客表示這是逐步引入ALM技術(shù)的長期戰(zhàn)略的第一步，在過去五年中，空客逐漸增加了ALM在批量生產(chǎn)和在役飛機(jī)中的應(yīng)用數(shù)，公司已經(jīng)生產(chǎn)并在空客飛機(jī)上安裝了7萬多個(gè)3D打印零，大多數(shù)零件都是用聚合物打印的，但用鈦和鎳基合金的越來越多，快速制造備件。
圖5 空客3D打印支架裝配件，預(yù)計(jì)3D打印在未來五年中將取得更多進(jìn)展，它會(huì)被測(cè)試、測(cè)試并重新測(cè)試，增材供應(yīng)鏈實(shí)際上也將在未來五年內(nèi)增長，空客表示將遵循其計(jì)劃。
并逐步擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和相關(guān)的價(jià)值創(chuàng)造機(jī)遇，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，競(jìng)爭力和市場(chǎng)份額將隨著新應(yīng)用的興起而逐步增長，ORNL認(rèn)為3D打印在航空航天領(lǐng)域會(huì)越做越大，大型結(jié)構(gòu)組件是一些公司已經(jīng)開始研究的領(lǐng)域，人們對(duì)航空航天工業(yè)的信心與日俱增，增材制造確實(shí)會(huì)帶來巨大的改變。
?。ū疚陌l(fā)表于民機(jī)戰(zhàn)略觀察微信公眾號(hào) 作者：航空工業(yè)，不再有“很多廢料”，對(duì)于EOS，關(guān)鍵的航空航天市場(chǎng)是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，客戶之一是2017年成立的Launcher，致力于研發(fā)用于發(fā)射衛(wèi)星的火箭，去年。
Launcher成功地測(cè)試了在EOS機(jī)床上打印的3，EOS已經(jīng)與Launcher一起研究了發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的，期望在將來制造有效載荷非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)，越來越多的私人公司涉足火箭，3D打印加速了這一發(fā)展——人們可以在今天或一兩個(gè)星，實(shí)際上可以還在辦公桌上擺放零件，并且可以對(duì)其進(jìn)行一些測(cè)試。
火箭行業(yè)現(xiàn)在看起來非常令人興奮，增材制造公司正在努力滿足航空航天市場(chǎng)的需求，例如，EOS是使用直接金屬激光燒結(jié)的工業(yè)3D打印機(jī)制造商，已開始引入更多金屬進(jìn)行打印，過去五年，公司又開發(fā)出10種金屬，這個(gè)數(shù)量不是很多。
人們想確?？梢灾圃斐龈哔|(zhì)量的零件，并且總是存在挑戰(zhàn)，開發(fā)它們確實(shí)需要時(shí)間，讓“雷神”翱翔，航空航天工業(yè)一直尋求增材制造以提高效率、減少浪費(fèi)，成為增材制造早期且熱情的采用者。
增材制造技術(shù)已用于飛行器內(nèi)部制造支架，已用于打印發(fā)動(dòng)機(jī)零件，從而大大減少了組件數(shù)量，甚至被用于生產(chǎn)21公斤的無人機(jī)，以試驗(yàn)新技術(shù)，出于各種原因，航空航天被增材制造所吸引。
首先，航空工業(yè)廣泛使用昂貴的金屬，例如鈦，在傳統(tǒng)的減法制造中，超過90％的材料被去除，從而導(dǎo)致嚴(yán)峻的買飛比（BFT:buy to fly，3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)新形狀，這意味著需要制造的零件數(shù)量將減少。
通過3D打印，材料的浪費(fèi)也更少，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）認(rèn)為，航空航天產(chǎn)品必須使用大量的鈦，會(huì)得到很多廢料，在切削工具方面鈦是殘酷的，鈦很難加工。
增加了停機(jī)時(shí)間和刀具成本，但鈦容易3D打印，空中客車集團(tuán)是另一家采用3D打印的飛行器制造商，自2015年以來，空客對(duì)其“在現(xiàn)實(shí)中試驗(yàn)高科技目標(biāo)”（縮寫THOR，即北歐神話中的雷神托爾）小型無人機(jī)進(jìn)行了試飛。
它的大約90％的結(jié)構(gòu)組件是由塑性聚酰胺粉末3D打印，空客公司將THOR描述為“一個(gè)在實(shí)際飛行條件下實(shí)現(xiàn)，”空客利用增材制造技術(shù)提高了THOR的開發(fā)速度，花了七個(gè)星期的時(shí)間打印了60個(gè)結(jié)構(gòu)部分，又花了一個(gè)星期組裝該飛機(jī)。
GE航空的增材制造從大量新產(chǎn)品的引入開始，但是已經(jīng)將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了降低現(xiàn)有產(chǎn)品成本的基礎(chǔ)上，增材制造為GE工程師提供了全新的創(chuàng)造自由度，從根本上改變了他們進(jìn)行設(shè)計(jì)的方式，制造成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性之間的范式已經(jīng)顛覆，使用增材制造，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高性能。
3D打印可以加速零件生產(chǎn)和試驗(yàn)，由于零件產(chǎn)出更快，公司提前六個(gè)月完成了Catalyst燃燒室的臺(tái)架試，粘合劑噴射增材制造技術(shù)公司ExOne認(rèn)為，由3D打印技術(shù)制成的零件通常用于航空航天產(chǎn)品。
西科斯基CH-53重型直升機(jī)就是一個(gè)例子，它使用由ExOne 3D打印工具制成的復(fù)合材料空氣，圖6 EOS M290金屬3D打印機(jī)生產(chǎn)的火箭發(fā)動(dòng)，這種好處是雙向的，航空航天企業(yè)的興趣也鼓勵(lì)了3D打印的進(jìn)步，航空航天工業(yè)對(duì)增材制造的功能有強(qiáng)烈的需求。
全世界的大型航空航天制造商都在講述他們的3D打印故，它得到了驗(yàn)證，這使人們能夠更認(rèn)真地對(duì)待要求更高的應(yīng)用，減輕每一磅都很重要，圖4 3D打印無人機(jī)THOR進(jìn)行飛行試驗(yàn)。
自然子刊：AM Inconel 718薄壁的工藝、結(jié)構(gòu)和性能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析
結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù)試樣位置，預(yù)測(cè)的熱歷史與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，例如，圖2a示出了在DED過程期間，情況a中點(diǎn)1、2和3的模擬（實(shí)線）和實(shí)驗(yàn)IR相機(jī)數(shù)。
初始溫度為環(huán)境溫度295?K、大約200?s、當(dāng)激，點(diǎn)1的溫度升高，在DED過程中，由于多層沉積，零件經(jīng)歷重復(fù)的熱加熱和冷卻循環(huán)，在凝固過程中和凝固后，零件中產(chǎn)生的復(fù)雜熱場(chǎng)對(duì)最終材料微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，如屈服應(yīng)力、屈服應(yīng)變、極限抗拉強(qiáng)度（UTS）和失效。
然而，進(jìn)行DED實(shí)驗(yàn)以優(yōu)化給定幾何形狀的工藝參數(shù)和刀具路，計(jì)算模型是獲得零件溫度歷史的有效方法，該溫度歷史與微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有關(guān)，圖6e是三種不同薄壁的冷卻速率和UTS之間的關(guān)系，圖6e中的綠線是對(duì)所有數(shù)據(jù)的線性擬合，結(jié)果表明。
UTS隨著冷卻速率的增加而增加，在三種情況中，情況C具有最大的UTS和最大的冷卻速率，但在每種情況下，冷卻速率與UTS之間的相關(guān)性較弱，表明冷卻速率本身不足以預(yù)測(cè)機(jī)械性能。
除了冷卻速率之外，我們需要考慮熱歷史中的更多因素或特征來預(yù)測(cè)機(jī)械性能，（a）距焊縫起始點(diǎn)23 mm和（b）83 mm處焊，我們還在圖9d和e中顯示了第二和第三卷積層的輸出，Conv1D_2和Conv1D_3有64個(gè)特征濾波，比較Conv1D_1、Conv1D_2和Conv1，Conv1D_1捕獲了來自輸入的大部分信息，盡管一些特征過濾器沒有激活。
圖5a顯示了不同情況和位置樣品的測(cè)量一次枝晶臂間距，從不同情況下不同位置的12個(gè)SEM微觀結(jié)構(gòu)圖像測(cè)量，還計(jì)算了相應(yīng)位置的模擬冷卻速率，微觀結(jié)構(gòu)分析，在這項(xiàng)工作中，我們利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的CNN模型開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的有限，以研究Inconel 718電沉積過程中的熱歷史、。
我們使用熱模型的模擬溫度歷史，而不是使用具有不確定性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量紅外溫度，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過CNN預(yù)測(cè)機(jī)械性能，對(duì)模擬的熱歷史、微觀結(jié)構(gòu)和測(cè)量的機(jī)械性能進(jìn)行了全面。
以了解工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，CNN有效地識(shí)別了熱歷史的關(guān)鍵特征，討論，圖7 中間層可視化的CNN結(jié)構(gòu)，在接近和高于固相線溫度時(shí)。
模擬溫度被認(rèn)為比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可靠，為了提高測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性，未來應(yīng)開發(fā)校準(zhǔn)液態(tài)和固態(tài)金屬合金發(fā)射率的方法，通過更詳細(xì)地描述真實(shí)零件邊界條件，尤其是整個(gè)表面上的熱對(duì)流，可能會(huì)影響模擬精度，圖3不同工藝參數(shù)零件微觀結(jié)構(gòu)的SEM表征。
介紹，計(jì)算不同時(shí)間的溫度場(chǎng)和組合幾何結(jié)構(gòu)，為了預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)，許多研究人員使用有限元方法求解熱方程并模擬AM中的，對(duì)于大多數(shù)DED熱模型。
外部零件表面上的邊界條件假設(shè)對(duì)流系數(shù)恒定，然而，DED過程通常包括強(qiáng)制屏蔽氣流，流速在零件表面上變化，因此，提出了一種根據(jù)實(shí)測(cè)熱電偶數(shù)據(jù)校準(zhǔn)的空間變化對(duì)流系數(shù)，與均勻?qū)α飨禂?shù)模型相比，該模型與實(shí)驗(yàn)溫度歷史更好地匹配。
在這項(xiàng)工作中，開發(fā)了經(jīng)驗(yàn)證的計(jì)算熱模型與基于1D CNN的數(shù)據(jù)驅(qū)，以精確模擬過程，并使用整個(gè)時(shí)間相關(guān)溫度曲線預(yù)測(cè)整個(gè)最終零件的機(jī)械性，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型框架的概述如圖1所示，首先，我們使用基于有限元法的熱模型，對(duì)Inconel 718材料的DED多層構(gòu)建過程進(jìn)。
然后，使用1D CNN從模擬熱歷史中提取特征，以預(yù)測(cè)機(jī)械性能，研究和討論了熱歷史、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的相關(guān)性，為了更好地理解物理機(jī)制。
我們將從中間卷積層提取的特征可視化，以解釋熱歷史和性質(zhì)之間的相關(guān)性，我們分析了多個(gè)高UTS和低UTS情況下CNN檢測(cè)特，以研究熱歷史對(duì)不同UTS的貢獻(xiàn)，這項(xiàng)工作展示了一種有效的方法來模擬DED沉積的熱歷，通過一維CNN從這種熱歷史預(yù)測(cè)性能。
并進(jìn)一步了解熱效應(yīng)對(duì)凝固和機(jī)械性能的影響，圖4 情況B中不同位置的SEM顯微結(jié)構(gòu)圖像，在兩組中識(shí)別出這兩種特征的模式，對(duì)于第一個(gè)特征(圖10a和c)，在冷卻的前300 s非常突出，高UTS組提取的信號(hào)通常更強(qiáng)。
非零值比低UTS組少，對(duì)于第三個(gè)特征濾波器(圖10b和d)，低UTS情況(圖10d)開始于高信號(hào)，但在前200 s內(nèi)下降，之后在大約500 s激光關(guān)閉時(shí)間后衰減，在0.02-0.03附近穩(wěn)定。
高UTS情況下(圖10b)在激光關(guān)閉時(shí)間之前保持在，雖然我們無法從這些圖中得出關(guān)于所涉及的物理現(xiàn)象的結(jié)，但這些結(jié)果表明，可能有兩種獨(dú)立的現(xiàn)象影響著UTS，一個(gè)在早期和高溫(第一個(gè)特征過濾器)，另一個(gè)在較長時(shí)間和較溫和的溫度(第三個(gè)特征過濾器)。
圖2 模擬和實(shí)驗(yàn)溫度歷史的比較，來源：Data-driven analysis o，structure，and properties of additiv，npj computational materia，從圖4g中，我們發(fā)現(xiàn)冷卻速率、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間沒有明顯的。
中間位置的主枝晶臂間距大于頂部和底部試樣，從下至上，一次枝晶臂間距逐漸增大，但隨后減小，Laves相的體積分?jǐn)?shù)和機(jī)械性能的變化趨勢(shì)相同。
但是冷卻速率從壁的頂部到底部單調(diào)地減小，盡管三個(gè)位置之間的冷卻速率差異很小，這些結(jié)果表明，單獨(dú)的冷卻速率不足以預(yù)測(cè)一個(gè)壁中不同位置的機(jī)械性能，可能需要其他熱歷史特征來發(fā)展工藝和機(jī)械性能之間的相，圖9 所有通道的第一、第二和第三卷積層(Conv1。
一次枝晶臂間距的預(yù)測(cè)，粉末沉積示意圖，結(jié)果表明，1D CNN模型具有強(qiáng)大的能力，可以使用模擬（而非實(shí)測(cè)）熱歷史預(yù)測(cè)機(jī)械性能，包括UTS、屈服應(yīng)力和失效應(yīng)力，1D CNN模型在識(shí)別復(fù)雜熱歷史中的重要隱藏特征方，具有良好的精度。
熱歷史的提取特征顯示了高UTS樣本和低UTS樣本的，對(duì)于低UTS樣品，早期熱循環(huán)對(duì)過濾特征的貢獻(xiàn)最大，而后期歷史的貢獻(xiàn)相對(duì)較小，高UTS樣本在更晚的時(shí)間和更溫和的溫度下顯示出更強(qiáng)。
這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了考慮整個(gè)熱歷史的重要性，而不是簡單的熱指標(biāo)，如冷卻速率，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械性能，通過使用模擬溫度而不是實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的CNN模型擴(kuò)展了預(yù)測(cè)和監(jiān)控復(fù)雜零件幾何結(jié)。
提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的CNN框架在預(yù)測(cè)用AM構(gòu)建的復(fù)雜零，并提供了熱效應(yīng)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的物理見解，我們的發(fā)現(xiàn)表明，整個(gè)溫度-時(shí)間歷程（可通過驗(yàn)證的熱模擬近似）影響機(jī)，該方法和通過該方法獲得的見解可為DED和其他AM工，圖6a中紅色虛線包圍的區(qū)域表示激光關(guān)閉后的部分熱歷，對(duì)于激光關(guān)閉區(qū)域，三個(gè)壁所花費(fèi)的時(shí)間大致相同。
表明激光關(guān)閉后溫度歷史的差異在我們的測(cè)試中不會(huì)對(duì)機(jī)，金屬增材制造（AM）是一種可用于逐層構(gòu)建零件的技術(shù)，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，允許制造具有更復(fù)雜幾何形狀的零件，并降低成本，定向能量沉積（DED）是一種流行的金屬增材制造工藝，其中金屬粉末由一個(gè)或多個(gè)噴嘴輸送。
集中熱源，使用諸如激光的激光來局部熔化注入的金屬材料，當(dāng)每一層被掃描并以預(yù)定圖案熔化時(shí)，零件逐步構(gòu)建，在IN625 L-PBF的3D有限元模擬中。
通過熔池中心線的2D截面，在塊體基底上使用單層粉末，顯示了基底中的熱分布，我們比較了三種情況下的冷卻速率、微觀結(jié)構(gòu)特征以及實(shí)，這些值繪制在圖3g中，由三種情況的平均值歸一化。
通過計(jì)算圖3中SEM圖像中的幾個(gè)一次枝晶臂間距的平，而具有5 s停留時(shí)間的120mm壁（案例C）具有最，從圖中可以看出，冷卻速率最高的情況C具有最細(xì)的晶粒和相對(duì)較高的強(qiáng)度，而冷卻速率最低的情況A具有較粗的晶粒和較低的強(qiáng)度，可以得出結(jié)論，增加連續(xù)激光掃描之間的時(shí)間，無論是通過增加壁尺寸還是停留時(shí)間。
都會(huì)增加冷卻速率，并導(dǎo)致更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和更高的強(qiáng)度，圖1 流程結(jié)構(gòu)屬性的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析概述，在金屬零件的增材制造中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)極端變化的溫度場(chǎng)并將其與結(jié)構(gòu)和性能定量關(guān)聯(lián)，在這項(xiàng)工作中，定向能沉積（DED）過程的有限元模擬用于預(yù)測(cè)Inc，熱模型結(jié)果與在DED構(gòu)建過程中現(xiàn)場(chǎng)捕獲的動(dòng)態(tài)紅外圖。
研究了預(yù)測(cè)冷卻速率、微觀結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械性能之間的關(guān)，發(fā)現(xiàn)僅冷卻速率不足以給出定量性能預(yù)測(cè)，使用模擬熱歷史數(shù)據(jù)，可以獲得非常好的材料性能預(yù)測(cè)，特別是極限抗拉強(qiáng)度。
為了進(jìn)一步解釋卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)，可視化了每個(gè)卷積層上產(chǎn)生的提取特征，并比較了高極限抗拉強(qiáng)度和低極限抗拉強(qiáng)度情況下熱歷史，在這項(xiàng)工作中，使用計(jì)算熱模型模擬了DED過程中的三種薄壁多層沉積，該模型將溫度計(jì)算為時(shí)間和空間的函數(shù)，在每個(gè)特定探頭點(diǎn)的每個(gè)時(shí)間步長輸出詳細(xì)的溫度歷史，為了研究熱歷史與機(jī)械性能之間的相關(guān)性。
我們?cè)谀M中選擇了與實(shí)驗(yàn)拉伸試樣相同位置的探針點(diǎn)，溫度溶液的進(jìn)一步后處理提供了用于分析的額外數(shù)據(jù)，所提出的計(jì)算模型可以有效地提供熱歷史、冷卻速率和凝，以進(jìn)一步研究熱數(shù)據(jù)、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能之間的相關(guān)性，利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了DED薄壁的微觀。
停留時(shí)間為5 s(案例a、B、C)的80 mm薄壁，我們還可以觀察到微觀結(jié)構(gòu)中形成的缺陷，如圖3d所示的孔隙，孔隙的形成與熱歷史高度相關(guān)，并影響零件的機(jī)械性能，使用圖像處理軟件ImageJ，我們計(jì)算了三個(gè)薄壁中微觀結(jié)構(gòu)的頂視圖和側(cè)視圖的La，奧氏體不銹鋼的實(shí)際沉積7層構(gòu)建輪廓與相應(yīng)的（a）模。
在像CNN這樣的機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，通常很難理解輸入和輸出之間的關(guān)系，但為了進(jìn)一步揭示熱歷史對(duì)UTS預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)，我們比較了圖10中多個(gè)高和低UTS情況下從第一卷積，為了便于比較，我們?cè)谒腥N壁層中選擇了12個(gè)樣品。
它們的激光掃描總時(shí)間(從材料沉積到激光關(guān)閉時(shí)間)相，并將其分為高UTS組和低UTS組(每組6個(gè)樣品)，對(duì)于這兩組，第一卷積層的第一和第三個(gè)特征如圖10所示，長三角G60激光聯(lián)盟導(dǎo)讀，空間變化熱對(duì)流模型中的參數(shù)、激光吸收效率和模型中的，圖2顯示了校準(zhǔn)計(jì)算模型預(yù)測(cè)的溫度歷史，分別與案例A、B和C的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較。
最近，研究表明，2D CNN可用于將AM中實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熱歷史與材料特，本文開發(fā)了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的熱模型來預(yù)測(cè)熱歷史，而不是將測(cè)量值作為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的輸入，我們應(yīng)用1D CNN模型從模擬溫度歷史中自動(dòng)提取特，由于CNN發(fā)現(xiàn)的相關(guān)性可能難以解釋，在本工作中。
我們將中間卷積層可視化，并使用CNN對(duì)高和低UTS情況下的整個(gè)熱歷史提取特，提出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)框架有助于研究熱效應(yīng)對(duì)機(jī)械性能的影響，并提高對(duì)過程中基本物理的理解，據(jù)悉。
在這項(xiàng)工作中，定向能沉積（DED）過程的有限元模擬用于預(yù)測(cè)Inc，工藝和位置對(duì)冷卻速度、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響，熱DED模型的校準(zhǔn)也具有挑戰(zhàn)性，幾乎所有先前多層沉積的校準(zhǔn)熱模型都基于遠(yuǎn)離激光點(diǎn)的，然而。
由于極端溫度范圍和不斷變化的幾何形狀，很難使用熱電偶直接測(cè)量熔池區(qū)域內(nèi)或附近的溫度，或者，由紅外攝像機(jī)測(cè)量的動(dòng)態(tài)紅外（IR）圖像已用于校準(zhǔn)熱，紅外攝像機(jī)可捕獲零件表面（包括熔池附近）發(fā)射的熱輻，為熱電偶數(shù)據(jù)提供補(bǔ)充。
用于校準(zhǔn)和驗(yàn)證熱模型，例如，已采集紅外圖像，以驗(yàn)證感應(yīng)輔助焊接的增材制造（WAM）的移動(dòng)熱源熱，還使用紅外攝像機(jī)校準(zhǔn)單道多層氣體金屬弧焊（GMAW，圖10 高UTS和低UTS情況下提取的第一卷積層(。
原則上，CNN可以擴(kuò)展以預(yù)測(cè)微觀結(jié)構(gòu)信息，例如基于熱歷史的一次枝晶臂間距，然而，枝晶間距是從實(shí)驗(yàn)樣品的SEM表征圖像中測(cè)量的。
這既昂貴又耗時(shí)，而且缺乏足夠的數(shù)據(jù)，我們還在SEM圖像中觀察到缺陷，包括孔隙，孔隙形成預(yù)計(jì)與熱歷史高度相關(guān)，并可能影響機(jī)械性能，進(jìn)一步研究可將孔隙度信息納入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。
以研究該過程-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，目前，孔隙率的影響是通過CNN將溫度與屬性聯(lián)系起來間接獲，用1D CNN預(yù)測(cè)機(jī)械性能，鎳基合金，如Inconel 718。
由于其優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度、高溫屈服強(qiáng)度、蠕變性能和耐腐，發(fā)現(xiàn)機(jī)械性能不僅取決于晶粒尺寸和微結(jié)構(gòu)取向，例如，Laves相是Inconel 718中的脆性沉淀，通常在凝固過程中枝晶間區(qū)域的Nb偏析期間形成，Laves相會(huì)降低材料的機(jī)械性能。
例如降低Inconel 7182的屈服強(qiáng)度和楊氏模，AM工藝過程中的化學(xué)成分和熱條件會(huì)影響微觀結(jié)構(gòu)，因此，研究熱歷史對(duì)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的詳細(xì)影響非常重要，圖6 三種情況下溫度和機(jī)械性能之間的相關(guān)性，圖5 一次枝晶臂間距分析。
圖9f為所選的一個(gè)特征濾波器對(duì)Conv1D_3提取，所有特征濾波器如圖9g所示，在圖9f中，提取的特征捕獲了從0 s到1150 s左右的溫度信，從圖9g中Conv1D_3的所有特征濾波器提取的特。
輸出捕獲了從激光掃描開始到激光融合結(jié)束的溫度信息，這與Conv1D_1和Conv1D_2的輸出趨勢(shì)相，圖8 測(cè)量的UTS與預(yù)測(cè)的UTS，熱歷史與機(jī)械性能的關(guān)系，最近的研究表明，一D CNN可以有效地用于分析時(shí)間序列或序列數(shù)據(jù)，這項(xiàng)工作使用1D CNN從熱歷史中提取特征。
并預(yù)測(cè)機(jī)械性能，如UTS，屈服應(yīng)力，失效應(yīng)力和樣本點(diǎn)的模量，在“方法”中討論了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、超參數(shù)搜索和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)，以類似的方式，我們也使用1D CNN來預(yù)測(cè)其他的機(jī)械性能，包括屈服應(yīng)力、破壞應(yīng)力和模量。
預(yù)測(cè)屈服應(yīng)力、失效應(yīng)力和訓(xùn)練數(shù)據(jù)模量的R2值分別為，對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)，它們分別是0.70、0.60和0.14，這些結(jié)果表明，所提出的CNN也可以預(yù)測(cè)屈服應(yīng)力和破壞應(yīng)力。
具有良好的精度，結(jié)果，當(dāng)模擬溫度降至固相線溫度以下時(shí)，模擬曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合良好，每個(gè)溫度曲線的快速振蕩是由于添加額外材料時(shí)激光的多。
振蕩的平均值和振幅都隨著壁的高度增加而減小，并且點(diǎn)和激光光斑之間的材料量增加，激光源在615s左右關(guān)閉?之后模擬曲線和實(shí)驗(yàn)曲線都，最后階段的冷卻速率主要由壁和基板表面的自由對(duì)流和輻，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提供了從信號(hào)或時(shí)間序列中提取信息的有效。
例如，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可以通過卷積從輸入數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，而無需先驗(yàn)特征選擇，CNN在許多應(yīng)用中非常成功，如語音識(shí)別、自動(dòng)駕駛車輛控制和計(jì)算機(jī)視覺，最近，一維（1D）CNN已用于從1D輸入數(shù)據(jù)中提取特征。
例如心臟信號(hào)或其他時(shí)間序列數(shù)據(jù)，CNN可以從原始數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)局部特征，然后在更深的卷積層中提取更多全局和高級(jí)特征，來自DED構(gòu)建部件的測(cè)量或模擬熱歷史數(shù)據(jù)可以視為動(dòng)，doi.org/10.1038/s41524-02。
雙向激光掃描的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)，熱模擬和驗(yàn)證，摘要，圖6b-d中顯示了類似的相關(guān)圖，其點(diǎn)顏色對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力、破壞應(yīng)力和彈性模量，屈服應(yīng)力和破壞應(yīng)力的趨勢(shì)與UTS相似，然而。
壁之間的模量沒有明顯差異，這表明由熱歷史特征引起的不同微觀結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致材料強(qiáng)，但對(duì)彈性模量影響較小，圖6a顯示了三種情況（情況A、B和C）下所有位置的，對(duì)每種情況進(jìn)行三次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，圖上的每個(gè)點(diǎn)表示特定模擬溫度歷史在給定溫度范圍內(nèi)花，而符號(hào)形狀（圓形、三角形或星形）表示三個(gè)不同的壁（。
長三角G60激光聯(lián)盟陳長軍原創(chuàng)作品，參考文獻(xiàn)：Application of finit，phase-field，and CALPHAD-based methods，Acta Mater，139。
244–253 (2017)，我們還研究了同一壁中不同位置的微觀結(jié)構(gòu)和性能變化，圖4a-f中的情況B在三個(gè)不同位置拍攝了微觀結(jié)構(gòu)的，一次枝晶臂間距和Laves相體積分?jǐn)?shù)由圖4中的SE，在圖4g中繪制了這些值，通過它們的平均值歸一化。
在SEM圖像中，圖4a-f中顯示了一些圓形（可能是球形）和不規(guī)則的，球形孔和不規(guī)則孔的形成預(yù)計(jì)與溫度歷史高度相關(guān)，球形孔可能是由熔池中金屬元素的蒸發(fā)引起的，通常是在激光掃描速度不快時(shí)。
而不規(guī)則孔則是由于未熔合引起的，孔隙的形成導(dǎo)致拉伸試驗(yàn)期間承載橫截面積的減少，這通常導(dǎo)致測(cè)量強(qiáng)度降低，圖7為中間卷積層可視化的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過訓(xùn)練的CNN的輸入是沉積薄壁中每個(gè)探測(cè)位置的溫，網(wǎng)絡(luò)的輸出是對(duì)應(yīng)位置的UTS，圖8顯示了CNN預(yù)測(cè)的UTS與實(shí)際測(cè)量的UTS的對(duì)，圖8a為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。
圖8b為測(cè)試數(shù)據(jù)，訓(xùn)練和測(cè)試的R2分?jǐn)?shù)分別為0.96和0.67，結(jié)果表明，基于熱歷史的CNN結(jié)構(gòu)能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)薄壁建筑試件的UT，為了了解熱過程的哪些特征對(duì)機(jī)械性能有主要影響。
我們輸出了訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的中間卷積層，我們可視化所有特征濾波器的第一、第二和第三卷積層(，這些都顯示在CNN模型的上面，如圖7所示，放大視圖如圖9所示，每個(gè)卷積層的通道輸出告訴卷積層如何從溫度歷史中提取。
并傳遞有用的信息，以制定機(jī)械性能，Conv1D_1、Conv1D_2和Conv1D_。
瓦爾特：高溫合金的加工，進(jìn)給率堪比鋁合金
圖文說明：圖中顯示了材料在100微米深度下的硬化，無論刀具磨損或測(cè)量位置如何，在200微米或更深的深度都不會(huì)測(cè)量到硬化，圖2：Inconel? 718 – ?用MC275，陶瓷切削刀具材料的應(yīng)用范圍包括ISO S組中的鎳基，例如典型的合金有Inconel 718、René?。
這些高溫合金（HRSA）是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部分的首選，陶瓷銑刀是高效可靠加工高溫合金的理想選擇，圖8：Stefan Benkóczy，圖文說明：因?yàn)椴刍w的溫度升高，關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)是位置2和位置4，圖4：槽內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的位置，（圖文說明：MC275陶瓷銑刀，用于Inconel?718的槽銑。
切削速度為670米/分，生產(chǎn)效率和金屬去除總量明顯高于硬質(zhì)合金銑刀，），圖6：Inconel? 718的硬度曲線，使用陶瓷刀具銑削鎳基合金時(shí)磨損的主要原因是由溫度和，雖然化學(xué)磨損或擴(kuò)散磨損持續(xù)削弱切削刀具材料，但是由于在切削刃上堆積而引起的磨損是不可預(yù)測(cè)的，并且會(huì)出現(xiàn)突然增加。
由于加工溫度高（見圖2），以及高溫超合金的韌性高，即使在高溫下（例如Inconel?718，750℃時(shí)Rm = 880 N/mm2，）。
刀具上會(huì)有大量積屑，這些積屑可熔化到切削材料的表面上，并且在移除時(shí)，使陶瓷部分被削掉，刀具上的積屑瘤詳見圖3，即使加工HRSA所產(chǎn)生的高溫對(duì)刀具壽命有負(fù)面影響，但這是必需的，這是降低材料硬度并提高加工效率的唯一方法。
圖文說明：盡管積屑瘤和切屑量較大，但陶瓷銑刀在加工五張葉片后，仍然可以使用，粘附在刀具上切屑變色表明加工溫度很高，（圖文說明：比較結(jié)果表明，與硬質(zhì)合金銑刀相比，采用陶瓷銑刀切削速度高很多。
金屬去除率更高，金屬去除總量更多，），瓦爾特的產(chǎn)品包括兩個(gè)系列的陶瓷銑刀：具有通用槽形的，MC075為高進(jìn)給銑刀，兩種產(chǎn)品系列（見圖1）均可提供8～25毫米的切削直，直徑為8～12毫米的刀具可作為整體銑刀使用，而直徑為12～25毫米的刀具可作為ConeFit銑。
在這兩種情況下，只有刀具的頭部由陶瓷制成，該刀頭釬焊在硬質(zhì)合金接柄或碳化物ConeFit基體，原則上，整個(gè)銑刀可以由陶瓷制成，但是硬質(zhì)合金接柄增加了刀具的強(qiáng)度和阻尼。
與整體式陶瓷刀具相比，其懸伸長度更長，材料去除率更高，圖5：測(cè)量點(diǎn)的分布，切削參數(shù)由切削刀具材料和需要加工的材料確定。
脆而耐熱的切削刀具材料可在高溫下使用，但是低沖擊強(qiáng)度要求0.02～0.05毫米的每齒低進(jìn)，全開槽工序ap = 5％Dc的小吃刀量和最大切削刃，其例外情況是，具有高進(jìn)給槽形的MC075，其中ap≤apf時(shí)。
fz = 0.15毫米，兩種產(chǎn)品的切削速度均在400～1000米/分，具有硬質(zhì)合金切削刃的銑刀與具有陶瓷切削刃的銑刀的結(jié)，圖3所示的磨損照片顯示了陶瓷銑刀僅用于粗加工的原因，磨損跡象（例如切削刃上的切屑和寬度超過0.5毫米的，并不是停止使用陶瓷切削刀具的理由。
通過對(duì)切削參數(shù)進(jìn)行比較，也可清楚地看出兩類刀具材料之間的差異，例如，對(duì)Inconel?718全開槽所用的直徑為10毫米，但是使用陶瓷的進(jìn)給率大得多，這種優(yōu)勢(shì)是無可比擬的，在這種情況下，使用陶瓷切削刃的金屬去除率在56％以上。
此外，使用陶瓷銑刀去除的金屬總量比硬質(zhì)合金銑刀高180％，就金屬去除率和每個(gè)刀具壽命中去除的金屬總量參數(shù)而言，陶瓷比碳化物具有明顯優(yōu)勢(shì)，使用相同的機(jī)床，加工時(shí)間更短，加工批量更大。
用戶可以選擇配置其現(xiàn)有機(jī)床，從而可使用更少的加工中心，總加工量大，刀具成本低，（圖文說明：具有通用槽形的MC275陶瓷銑刀和具有，），陶瓷切削刀具材料可定制用于銑削應(yīng)用，與晶須增強(qiáng)陶瓷相比。
SiAlON陶瓷更耐溫度波動(dòng)，正因如此，它們成為銑削加工工序的理想選擇，斷續(xù)切削導(dǎo)致切削刃上的溫度變化，并且冷卻介質(zhì)的使用可以進(jìn)一步增加溫差。
從而產(chǎn)生熱沖擊效應(yīng)，因此，瓦爾特建議在使用陶瓷銑刀加工高溫超合金時(shí)，采用干式加工，用戶得到的另一個(gè)好處是，由于不適用冷卻潤滑劑，加工作業(yè)環(huán)保，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
雖然陶瓷刀具提供了極好的加工機(jī)會(huì)，但是值得考慮的是，陶瓷銑刀達(dá)到的高加工溫度是否會(huì)導(dǎo)致材料的損壞，由于陶瓷刀具僅用于粗加工，所以唯一需要保證的是，材料損壞的深度小于精加工的偏差，與位于德國亞琛的Fraunhofer IPT公司通，我們測(cè)量了硬化的深度和范圍 - 針對(duì)具有不同磨損水。
Inconel?718的全開槽工序，在陶瓷刀具銑削具有中等磨損的13或14個(gè)槽或磨損嚴(yán)，我們分別對(duì)其進(jìn)行了硬度測(cè)量，為了確定并評(píng)估最大熱負(fù)荷，槽上選擇的測(cè)量點(diǎn)如下文所示（見圖4），為確保收集的數(shù)據(jù)正確，我們進(jìn)行了如圖5所示的測(cè)量。
材料的基本硬度為446HV，結(jié)果：在100微米的深度內(nèi)檢測(cè)到高達(dá)640 Hv的，無論刀具的磨損或測(cè)量方向如何，如果深度大于200微米，都檢測(cè)不到硬化。
由于通常適用的粗加工偏移量在3/10～5/10，所以不希望使用陶瓷工具進(jìn)行的粗加工在精加工過程后，會(huì)導(dǎo)致任何其它損壞，圖文說明：顯微照片顯示了硬度測(cè)量的測(cè)量點(diǎn)的分布，不允許有超出精加工余量的任何硬化。
圖3：MC075的磨損模式（vc = 600 m，ap = 0.4 mm，fz = 0.15，圖文說明：瓦爾特航空工業(yè)零件經(jīng)理Stefan Be，圖7：硬質(zhì)合金與陶瓷的比較，鎳基合金部件加工的經(jīng)典案例是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體式渦輪。
此旋轉(zhuǎn)整體部件是一個(gè)具有大量葉片的盤，使用硬質(zhì)合金銑刀，通過粗加工，可銑出葉片之間的空間，加工時(shí)間約30分鐘，具有高進(jìn)給槽形的MC075陶瓷銑刀可在10分鐘內(nèi)切。
對(duì)于這種應(yīng)用，它在硬度為44HRC、抗拉強(qiáng)度為1400 N/mm，這些進(jìn)給速率值通常用于加工鋁，而不是鎳基合金，圖1：陶瓷銑刀和ConeFit陶瓷銑刀，航空工業(yè)的大量訂單給發(fā)動(dòng)機(jī)制造商及其供應(yīng)商的能力帶。
因此，減少零件加工時(shí)間將受益匪淺，對(duì)于高溫合金，硬質(zhì)合金銑刀的切削速度約為50米/分，陶瓷銑刀提供了一種不同的方法：其切削速度可達(dá)1，000米/分。
關(guān)于「科技動(dòng)態(tài)」3D打印即將“起飛”自然子刊：AM Inconel 718薄壁的工藝、結(jié)構(gòu)和性能的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析的內(nèi)容就介紹到這里！
