近日，西安交通大学数学与统计学院李义宝教授团队在流体力学顶级期刊（Physics of Fluids）在线发表题为“Multi-scale modeling and simulation of additive manufacturing based on fused deposition technique”的研究论文。数学学院博士生夏青是论文的第一作者，李义宝教授是论文的通讯作者，西安交通大学是该论文的第一作者/通讯作者单位，研究的合作单位是韩国高丽大学（Korea University）。该研究成果被Physics of Fluids选为Featured (Editor's picks)文章（见图1），并被AIP（美国物理学联合会）Scilight专题报道。
图1
增材制造（AM）是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，并在航空航天、新能源、医疗仪器等战略新兴产业领域被广泛推广和应用。当前研究阶段，急需要提出一种适用于增材制造的多尺度、多物理场耦合模型。通过模型驱动生产，进一步为增材制造技术提供理论支撑，用于探测AM过程的冷却、凝固、结晶和沉积等多种物理现象。同时，由于多个物理场耦合具有很强的非线性，需要开展大规模、高精度计算方法研究，使复杂的系统具有稳定的结构，并消除由各向异性、不连续性所引起的数值振荡。该研究建立了一套针对增材制造中熔融沉积过程的数学模型，该过程使用高温来创建复杂的几何组件。该数学模型在晶体凝固模型的基础上耦合了热对流和热辐射过程，并通过温度和热量传导在多个尺度空间建立联系，从而描述不同尺度空间下材料特性。该模型可以用来描述材料中的多种物理现象，包括冷却、凝固、结晶和的热熔性丝状材料的沉积。
美国物理学联合会AIP Scilight专访了李义宝教授，并以“Mathematical model describes fused deposition for 3D printers”为题对研究成果进行了报道（见图2）。该报道指出，“虽然多尺度模型在增材制造领域常被提及，但是还没有基于热熔融细丝挤压技术的多尺度数学模型被建立起来”。 夏青等人为热熔融技术建立了一套多尺度模型，为描述该制造过程中的多种物理现象提供了理论保证。李义宝教授接受采访时提到，“缺乏多尺度理论模型为3D打印过程的预测能力提出了重大挑战，这是因为快速变化的温度场会带来诸多计算难题，包括轨道的不均匀性、材料的球化效应和轨道间的空洞的计算和模拟。”研究人员正在进一步优化和改良该模型。同时，他们计划为其他增材制造技术开发更通用的数学模型，如选择性激光熔化技术和多材料增材制造技术。
图2
Physics of Fluids论文链接: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0141316
AIP Scilight专访报道链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0017716
据了解，Scilight创办于2017年6月，是美国物理联合会出版社（AIP publishing）出版的网络周刊，致力于挑选AIP发表的物理领域最新的、最具有代表性的文章，简要总结其研究成果，并强调其在该领域的创新性和突破性。Scilight每年从AIP旗下30多个刊物中仅挑选300余篇物理领域内最值得关注的研究成果进行报道。