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计算机科学 > 计算工程、金融与科学

arXiv:2507.12557 (cs)
[提交于 2025年7月16日 ]

标题: 基于物理的热模型的LPBF熔池区域的矢量级前馈控制

标题: Vector-level Feedforward Control of LPBF Melt Pool Area Using a Physics-Based Thermal Model

Authors:Nicholas Kirschbaum, Nathaniel Wood, Chang-Eun Kim, Thejaswi U. Tumkur, Chinedum Okwudire
摘要: 激光粉末床熔融(LPBF)是一种增材制造技术,由于其能够生产几何复杂且完全致密的金属零件而受到欢迎。然而,这些零件容易产生内部缺陷和几何不准确,部分原因是熔池的变化。本文提出了一种新颖的矢量级前馈控制框架,用于调节LPBF中的熔池面积。通过将零件尺度的热行为与小尺度熔池物理现象解耦,控制器提供了尺度无关的熔池面积预测和高效的优化。这是通过操作两个耦合的轻量级模型实现的:一个有限差分热模型,能够高效捕捉矢量级温度场,以及一个降阶的、分析性的熔池模型。每个模型都通过最少的单道和2D实验单独校准,该框架在Inconel 718和316L不锈钢的复杂3D几何结构上进行了验证。结果表明,前馈矢量级激光功率调度平均使关键尺寸的几何不准确性降低了62%,总体孔隙率降低了16.5%,光电二极管变化降低了6.8%。总体而言,这种模块化、数据高效的的方法表明,主动补偿已知的热效应可以显著提高零件质量,同时保持计算效率,并易于扩展到其他材料和机器。
摘要: Laser powder bed fusion (LPBF) is an additive manufacturing technique that has gained popularity thanks to its ability to produce geometrically complex, fully dense metal parts. However, these parts are prone to internal defects and geometric inaccuracies, stemming in part from variations in the melt pool. This paper proposes a novel vector-level feedforward control framework for regulating melt pool area in LPBF. By decoupling part-scale thermal behavior from small-scale melt pool physics, the controller provides a scale-agnostic prediction of melt pool area and efficient optimization over it. This is done by operating on two coupled lightweight models: a finite-difference thermal model that efficiently captures vector-level temperature fields and a reduced-order, analytical melt pool model. Each model is calibrated separately with minimal single-track and 2D experiments, and the framework is validated on a complex 3D geometry in both Inconel 718 and 316L stainless steel. Results showed that feedforward vector-level laser power scheduling reduced geometric inaccuracy in key dimensions by 62%, overall porosity by 16.5%, and photodiode variation by 6.8% on average. Overall, this modular, data-efficient approach demonstrates that proactively compensating for known thermal effects can significantly improve part quality while remaining computationally efficient and readily extensible to other materials and machines.
评论: 43页,15图
主题: 计算工程、金融与科学 (cs.CE) ; 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2507.12557 [cs.CE]
  (或者 arXiv:2507.12557v1 [cs.CE] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.12557
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来自: Nicholas Kirschbaum [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 7 月 16 日 18:10:51 UTC (37,152 KB)
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