金屬增材制造因其高精度、高效性和靈活性等特征早已引發了廣泛的研究和快速下降的應用。但是，這種優勢遠未得到充分借助，且其困局問題主要源自從制造過程、微觀結構演化到熱學性能等復雜化學機制的理解不充分。具體而言，對于基于粉末熔體的增材制造，如激光粉床融化，制造過程涉及粉末動力學、熱傳遞、相變（融化、凝固、蒸發和凝結）、流體流動（二氧化碳、蒸汽和熔體金屬液體）及其互相作用。這種互相作用除了引起各類缺陷，還涉及復雜的熱-熱學-組成條件。這種瞬態條件造成高度非平衡的微觀結構變遷，而由此形成的微觀結構以及那些缺陷，可以明顯改變預制構件的熱學性能，包括硬度、延性和殘余撓度等。推動增材制造過程中的機理研究，最有效途徑是將原位實驗和高保真建模相結合。
基于此，來自美國國立學院的Yan院士團隊和普利茅斯學院麥迪遜校區的Chen院士團隊總結了這兩種強悍工具的最新進展：原位同步幅射實驗和高保真建模熔化和凝固實驗器材，并展望了潛在的研究方向。
相關短篇綜述以題為“In-situandhigh-toolstoofmetal”發表《ofToolsand》。
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圖文簡述
該綜述文章系統地回顧了兩種先進的研究工具，即原位同步幅射X射線表征和高保真模擬，它們被用于探求金屬增材制造技術背后的基礎數學學。
圖1.金屬增材制造過程中原位X射線表征與高保真建模工具的框架。將這兩種工具整合在一起將加速對金屬增材制造機制的研究。
關于原位同步幅射，文章詳盡闡釋了原位同步幅射X射線成像和衍射的原理與能力。關于高保真模擬方面，系統總結了粉末動力學、熔融池流動、微觀結構變遷和熱學性能等方面的研究，同時也簡略討論了基于數學模擬結果的數據驅動模擬——這是一種不可忽略的發展趨勢。最后，作者討論了原位實驗和高保真度模型的未來前景。
圖2.同步幅射X射線進行激光金屬增材制造過程原位表征的實驗設置的示意圖，并列出不同現象的時間和空間尺度。
圖3.增材制造的高保真模擬主要包括粉末動力學、熔池動力學、微觀結構變遷以及熱學性能模擬
圖4.原位X射線表征與高保真模擬相結合的應用示例。(a)X射線成像闡明了氣泡運動，高保真模擬則闡述了氣孔運動的驅動力。(b)X射線成像展示了關鍵凹坑產生過程熔化和凝固實驗器材，高保真模擬闡明了其中的基本機制。(c)X射線成像呈現了激光融化過程中不同時間的形狀，并用于驗證仿真模型。(d)X射線成像展示了激光融化過程中粉末噴濺行為，并用于驗證仿真模型。
圖5.展望原位同步幅射表征、高保真模擬以及它們的綜合應用，進而深入理解增材制造中的化學機制。
原位同步幅射表征技術促使我們能否在金屬增材制造過程中直接研究其過程、微觀結構和熱學性質，而高保真度模擬則有助于剖析這種現象背后的數學原理。這兩種先進工具具有互補性，應當被整合上去，以深入剖析增材制造機制。
總結
該文系統綜述了用于探求金屬增材制造技術基礎數學的兩種先進研究手段，即原位同步幅射X射線表征和高保真度建模。它總結了原位X射線成像和衍射的基本原理、能力、應用和局限性，粉末動力學、熔池流動、微觀組織變遷和熱學性能的高保真模型，以及數據驅動模型。據悉，還討論了這種技術的局限性、挑戰和未來前景。研究得出的主要推論如下：
原文信息：
LuWang,QilinGuo,Chen,Yan,In-situandhigh-toolstoofmetal,ofToolsand,
193,2023,,ISSN0890-6955,
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