{"id":11850,"date":"2026-04-20T07:43:59","date_gmt":"2026-04-20T07:43:59","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/yang-yang\/"},"modified":"2026-04-20T07:44:05","modified_gmt":"2026-04-20T07:44:05","slug":"yang-yang","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/yang-yang\/","title":{"rendered":"Yang Yang"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":11851,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-11850","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Development and Application of Semi-Analytical Method for Thermal Simulation of Laser Powder Bed Fusion Process","samenvatting":"Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is uitgegroeid tot een toonaangevende additieve productietechnologie voor metaal waarmee geometrisch complexe componenten met hoge prestaties vervaardigd kunnen worden. Het proces wordt echter gekenmerkt door extreem hoge thermische gradi\u00ebnten, snelle stolling en herhaalde thermische cycli, die allemaal een sterke invloed hebben op microstructuurvorming, defectgeneratie en de uiteindelijke kwaliteit van een onderdeel. Nauwkeurige thermische simulatie op onderdeelschaal is daarom essentieel om procesuitkomsten te voorspellen en de optimalisatie van procesparameters te sturen. Dit proefschrift breidt het kader voor semi-analytische thermische modellering voor LPBF uit, pakt beperkingen in bestaande semi-analytische methoden aan en toont de toepasbaarheid ervan aan voor smeltbadvoorspelling, het beperken van oververhitting en de analyse van microstructurele evolutie.\n\nConventionele Eindige-Elementenmethode (FEM) simulaties op onderdeelschaal hebben een fundamentele uitdaging vanwege het LPBF proces dat op meerdere schalen plaatsvindt. De kleine laserspotgrootte en de bijbehorende steile temperatuurgradi\u00ebnten vereisen een fijne eindig-elementen (FE) mesh nabij de warmtebron, terwijl het grote onderdeelvolume vraagt om een computationeel effici\u00ebnte discretisatie. Strategie\u00ebn die de mesh adaptief aanpassen verlichten dit probleem gedeeltelijk, maar brengen hoge rekenkosten met zich mee doordat de mesh frequent moet worden bijgewerkt terwijl de laser zich langs de geometrie verplaatst. Semi-analytische methodes bieden een alternatief door gebruik te maken van analytische thermische oplossingen voor bewegende punt- of lijnwarmtebronnen in een semi-oneindig medium, waardoor steile temperatuurgradi\u00ebnten analytisch worden vastgelegd zonder lokale verfijning van de mesh. De state-of-the-art semi-analytische methodes zijn echter beperkt tot eenvoudige geometrie\u00ebn met rechte randen.\n\nIn dit proefschrift wordt eerst de semi-analytische methode uitgebreid door de introductie van een gegeneraliseerde beeldbronnenformulering die gebogen grenzen kan behandelen. Beeldbronnen compenseren de warmtestroom aan de rand die wordt ge\u00efnduceerd door de reguliere warmtebronnen en dwingen zo de juiste randvoorwaarden af, terwijl de meshgrootte wordt ontkoppeld van de karakteristieke lengteschaal die door de laserspotgrootte wordt bepaald. De posities van de beeldbronnen en de vermogensmodulatiefactoren worden afgeleid op basis van de lokale randkromming, ondersteund door NURBS-representaties van willekeurige geometrie\u00ebn, waardoor het gebruik van beeldbronnen voor complexe vormen mogelijk wordt. Numerieke voorbeelden bevestigen dat de gemoduleerde beeldbronnenformulering de fout in de warmtestroom aan de rand drastisch vermindert en een nauwkeurige temperatuurvoorspelling mogelijk maakt met aanzienlijk grovere meshes. Deze stap vormt een belangrijke stap bij het uitbreiden van semi-analytische benaderingen naar realistische onderdeelgeometrie\u00ebn.\n\nDe tweede methodologische ontwikkeling vervangt de FEM-gebaseerde berekening van het complementaire veld door isogeometrische analyse (IGA) in een semi-analytisch thermisch modelleringskader. IGA maakt gebruik van NURBS-basisfuncties die de geometrie exact representeren, waardoor de simulatie van realistische onderdelen met complexe geometrie\u00ebn mogelijk wordt. Bovendien kan dankzij de exacte geometrische representatie en de hogere-orde continu\u00efteit van NURBS-basisfuncties het numerieke complementaire veld worden opgelost met aanzienlijk minder vrijheidsgraden. Vergelijkende studies tonen aan dat de op IGA gebaseerde formulering de rekenkosten met een orde van grootte verlaagt, terwijl de nauwkeurigheid behouden blijft, wat de methode bijzonder aantrekkelijk maakt voor grootschalige LPBF-simulaties.\n\nVervolgens wordt het semi-analytische thermische modelleringskader toegepast om oververhittingsverschijnselen in LPBF van magnesiumlegeringen te bestuderen. In een geometrie van een driehoekige prisma laat de studie zien hoe geometrische beperkingen, met name de afnemende lengte van de scanvector richting de punt van de driehoekige laag, leiden tot een verkorte afkoeltijd, snelle warmteaccumulatie en een aanzienlijke toename van de smeltbaddiepte. Zeer korte scanvectoren worden echter onvoldoende verwarmd, wat leidt tot een plotselinge afname van de smeltbaddiepte. Twee mitigatiestrategie\u00ebn worden voorgesteld: het verlengen van nul vermogen ghostvectoren en het aanpassen van het laservermogen op basis van de vectorlengte. Zowel numerieke voorspellingen als experimentele resultaten bevestigen de effectiviteit van deze strategie\u00ebn om smeltbaddiepte te homogeniseren en porositeit te verminderen.\n\nTen slotte wordt het semi-analytische thermische model gebruikt om faseovergangen in Ti-6Al-4V tijdens LPBF te onderzoeken onder verschillende volumetrische energiedichtheden. Hogere energiedichtheden zorgen voor een sterk verval van martensiet als gevolg van herverhitting door opeenvolgende lagen, terwijl lagen die aan het einde van het proces worden gevormd een hoger percentage martensiet bevatten, doordat snelle afkoeling de vorming van martensiet bevordert. Het semi-analytische model legt de thermische transi\u00ebnten die nodig zijn voor deze faseovergangsvoorspellingen succesvol vast. Daarnaast worden ook de effecten van laserscanstrategie\u00ebn en het aantal scanlasers onderzocht, waarbij slechts een geringe invloed op de totale fasefracties wordt waargenomen.\n\nSamenvattend breidt dit proefschrift het semi-analytische modelleringskader voor LPBF uit en toont het het grote potentieel ervan aan voor het voorspellen van smeltbadgedrag, het beperken van defecten en het begrijpen van microstructurele veranderingen.","summary":"Laser Powder Bed Fusion (LPBF) has emerged as an influential metal additive manufacturing technology capable of producing geometrically complex, high-performance components. However, the process is governed by extremely high thermal gradients, rapid solidification, and repeated thermal cycles, all of which strongly influence microstructure formation, defect generation, and final part quality. Accurate part-scale thermal simulation is therefore essential for predicting process outcomes and guiding process-parameter optimization. This thesis advances the semi-analytical thermal modeling framework for LPBF, addressing limitations in existing semi-analytical methods and demonstrating its applicability to melt-pool prediction, overheating mitigation, and microstructural evolution analysis.\n\nConventional Finite Element Method (FEM)\u2013based part-scale models face a fundamental challenge due to the multiscale nature of LPBF. The small laser spot size and associated steep temperature gradients require a fine Finite Element (FE) mesh near the heat source, while the large build volume demands computationally efficient discretization. Adaptive remeshing strategies alleviate part of this difficulty but incur high computational cost because the mesh must be updated frequently as the laser traverses the geometry. Semi-analytical methods provide an alternative by employing closed-form thermal solutions for moving point or line heat sources in a semi-infinite medium, thereby capturing the steep temperature gradients analytically without requiring local mesh refinement. However, the state-of-the-art semi-analytical formulations were limited to simple geometries with straight boundaries.\n\nThis thesis first extends the semi-analytical method by introducing a generalized image-source formulation capable of handling curved boundaries. Image sources offset the boundary heat flux induced by the regular heat sources, thereby enforcing appropriate boundary conditions, while decoupling the mesh size from the characteristic length scale dictated by laser spot size. Image source positions and power modulation factors are derived using local boundary curvature, supported by NURBS representations of arbitrary geometries, enabling the use of image sources for complex shapes. Numerical examples confirm that the modulated image-source approach dramatically reduces boundary heat-flux error and enables accurate temperature prediction with significantly coarser meshes. This advancement marks an important step in extending semi-analytical approaches to realistic part geometries.\n\nThe second methodological development replaces the FEM-based complementary-field computation with isogeometric analysis (IGA) in a semi-analytical thermal modeling framework. IGA employs NURBS basis functions that exactly represent geometry, allowing the simulation of realistic parts with complex geometries. In addition, with the exact geometric representation and higher-order continuity of NURBS basis functions, the numerical complementary field can be resolved with significantly fewer degrees of freedom. Comparative studies show that the IGA-based formulation reduces computational cost by an order of magnitude while maintaining accuracy, making it highly attractive for large-scale LPBF simulations.\n\nThe semi-analytical thermal modeling framework is then applied to study overheating phenomena in LPBF of magnesium alloy. Using a triangular prism part geometry, the study reveals how geometric constraints\u2014particularly decreasing scan vector length toward the tip of a triangular layer\u2014lead to reduced cooling time, rapid heat accumulation, and significant increases in melt-pool depth. However, extremely short vectors experience insufficient heating duration, causing a sudden drop in melt-pool depth. Two mitigation strategies are proposed: extending zero-power ghost vectors and adjusting laser power based on vector length. Both numerical predictions and experimental results validate their effectiveness in homogenizing melt-pool depth and reducing porosity.\n\nFinally, the semi-analytical thermal model is employed to investigate phase transformations in Ti-6Al-4V during LPBF under varying volumetric energy densities. Higher energy densities promote greater decomposition of martensite due to reheating from subsequent layers, whereas layers built at the end of the process contain a higher percentage of martensite phase because rapid cooling favors martensite formation. The semi-analytical model successfully captures the thermal transients required to drive these phase-transformation predictions. Besides, the effects of laser scanning strategies and the number of scanning lasers are also investigated, showing little influence on the overall phase fractions.\n\nIn summary, this thesis advances the semi-analytical modeling framework for LPBF and demonstrates its strong potential for predicting melt-pool behavior, mitigating defects, and understanding microstructural evolution.","auteur":"Yang Yang","auteur_slug":"yang-yang","publicatiedatum":"1 mei 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/yangyang?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/40da1d80-cc74-4120-bec3-7d937603097e\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"18906","isbn":"978-94-6518-313-8","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Overig","afbeeldingen":11852,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Overig","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/11850","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=11850"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/11850\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":11853,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/11850\/revisions\/11853"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/11851"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=11850"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=11850"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}