案例展示金屬增材制造過程仿真分析(上篇）

作者：郭鵬偉  安世中德增材應(yīng)用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真,、增材設(shè)計等工作,。

隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷深入應(yīng)用，如何提高制造質(zhì)量,、制造效率,，降低制造成本,，成為人們關(guān)注的焦點。利用仿真分析工具,，開展金屬增材制造過程分析,，可以有效幫助企業(yè)快速固化不同零件的成形工藝，提高零件的成形質(zhì)量和效率,，降低零件生產(chǎn)周期和廢品率,。

宏觀尺度增材制造過程仿真分析
宏觀尺度增材過程仿真分析，包括如何借助仿真分析工具,，進(jìn)行構(gòu)件的快速擺放設(shè)計,、支撐優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化,、變形補(bǔ)償,，以及熱處理過程的仿真分析優(yōu)化。

-借助仿真分析實現(xiàn)構(gòu)件快速擺放
某汽車懸架系統(tǒng)控制臂,，在實際成形前,，基于ANSYS Additive Print增材仿真分析軟件進(jìn)行不同擺放方式下快速仿真分析，確定最佳擺放方式,。圖1為控制臂的三種擺放方式,，圖2為計算變形結(jié)果。

圖1 控制臂不同擺放方式

圖2 三種擺放方式下變形對比

對比三種擺放方式（如表1所示）的計算變形結(jié)果以及支撐面積,、支撐體積,、成形高度，可以選擇最適合客戶要求的擺放方式,。構(gòu)件擺放方式直接決定著構(gòu)件可否成功成形以及成形質(zhì)量,、時間、成本,，對于復(fù)雜構(gòu)件,，僅依靠工程師的經(jīng)驗很難快速確定最佳擺放方式，往往需要借助工藝試錯實驗來確定,，不僅給企業(yè)添加額外制造成本,，而且大量延長了產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)周期,。利用仿真分析,，從構(gòu)件變形、應(yīng)力分布,、支撐添加量,、成形時間等因素綜合對比，可以幫助工程師快速實現(xiàn)構(gòu)件最佳擺放方式的確定,。

表1 三種擺放方式綜合對比

-仿真分析優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)
工藝支撐（支撐,、約束,、散熱作用）既要保證構(gòu)件成形質(zhì)量，又要容易去除,，且支撐內(nèi)部粉末要容易回收，避免原料浪費,。因此,，對于激光粉末床熔化成形工藝過程，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化極其關(guān)鍵�,，F(xiàn)階段支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段匱乏,，主要依靠工藝試錯試驗，所以往往耗時,、耗力,、耗材�,；�于增材仿真分析進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，可以避免反復(fù)的工藝試驗過程。

以某零件支撐設(shè)計為例,，該零件由拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計而成,，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，薄壁,、細(xì)小連接桿件,、孔結(jié)構(gòu)以及懸垂結(jié)構(gòu)較多（如圖3a、b所示）,，對支撐設(shè)計要求較高,，需要進(jìn)行合理優(yōu)化。因此,，在最初支撐設(shè)計的基礎(chǔ)上,，利用ANSYS Additive Print仿真分析軟件預(yù)測構(gòu)件變形、應(yīng)力分布,，基于預(yù)測結(jié)果,，進(jìn)行相應(yīng)的支撐再優(yōu)化，實現(xiàn)較佳的支撐設(shè)計（如圖3c,、d所示）,，確保了零件的高質(zhì)量成形。

圖3 某零件仿真分析優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)

-借助仿真分析實現(xiàn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)優(yōu)化
激光粉末床熔化成形工藝具有自身獨特的制造特征約束,，包括工藝,、材料性能以及結(jié)構(gòu)特征約束（如表2所示）。目前拓?fù)鋬?yōu)化軟件很難完全考慮制造約束,，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果直接成形（或者其他類非面向增材設(shè)計零件）往往需要添加大量的工藝支撐,，而且薄壁結(jié)構(gòu),、細(xì)小連接桿件等增加了成形風(fēng)險。因此,，需要對結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行基于增材制造約束的優(yōu)化設(shè)計,，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，懸垂面減少,，成形時支撐添加量減少,，薄壁特征、細(xì)小連接桿件等特征也得到優(yōu)化,，成形成功率提高,，制造成本也將明顯降低。

表2 激光粉末床熔化成形制造約束

以某零件為例,，通過對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行增材仿真分析,，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的重新優(yōu)化設(shè)計，變形風(fēng)險明顯降低（如圖4所示）,。

圖4 某零件拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果再優(yōu)化設(shè)計

-變形補(bǔ)償提高成形精度
金屬增材制造構(gòu)件熱變形很難避免,，通常控制手段包括支撐約束,、工藝參數(shù)優(yōu)化等,。熱變形對于構(gòu)件成形質(zhì)量影響較大（對于精度要求超過工藝制造精度，必須依靠后處理機(jī)械加工來保證）,，對于某些對裝配要求較高的構(gòu)件,，一定程度熱變形失真可能直接導(dǎo)致零件報廢。

圖5 某零件變形補(bǔ)償模型

借助仿真軟件分析,，自動輸出變形補(bǔ)償模型（如圖5所示）,，以變形補(bǔ)償模型做為實際成形原文件，可以有效提高構(gòu)件成形精度,。

-增材制造后處理-熱處理仿真分析優(yōu)化
金屬增材制造成形快速的凝固過程,，可以得到較為細(xì)密的微觀組織結(jié)構(gòu)，然而,，由于其“先天”的工藝特征,，成形構(gòu)件殘余應(yīng)力、成形材料內(nèi)部氣孔缺陷很難避免,。通常情況下,，金屬增材制造成形材料具有“高強(qiáng)低塑”特征，且部分合金材料在快速凝固過程中強(qiáng)化相來不及析出（第二相析出強(qiáng)化機(jī)制）,，因此成形后材料塑性或強(qiáng)度指標(biāo)需要通過熱處理進(jìn)一步改善,。

熱處理作為金屬增材制造較為重要的后處理組織性能調(diào)控環(huán)節(jié)，可以有效的提高成形材料綜合力學(xué)性能以及消除材料內(nèi)部缺陷。利用仿真分析工具,，對增材制造熱處理進(jìn)行仿真分析,，可以達(dá)到優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)的目的。

圖6 870℃保溫2小時,，熱處理結(jié)果

未完,，《案例展示金屬增材制造過程仿真分析（下篇）》將通過案例展示微觀尺度增材制造過程仿真分析，敬請關(guān)注,。

—作者—
郭鵬偉
安世中德增材應(yīng)用工程師,，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計等工作,。