案例展示金屬增材制造過(guò)程仿真分析

作者：郭鵬偉
來(lái)源：安世亞太

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(diǎn),。利用仿真分析工具，開(kāi)展金屬增材制造過(guò)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。

關(guān)于仿真在粉末床激光熔化工藝的應(yīng)用,，增材專欄曾經(jīng)通過(guò)《增材專欄 l SLM工藝仿真綜述》系列的三篇文章加以分析,。本期專欄《案例展示金屬增材制造過(guò)程仿真分析》將結(jié)合具體案例展示如何開(kāi)展基于粉末床激光熔化成形制造過(guò)程仿真分析,，從而減少工藝試錯(cuò)成本。

宏觀尺度增材制造過(guò)程仿真分析
宏觀尺度增材過(guò)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(jì),、支撐優(yōu)化,、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形補(bǔ)償,，以及熱處理過(guò)程的仿真分析優(yōu)化,。

-借助仿真分析實(shí)現(xiàn)構(gòu)件快速擺放
某汽車懸架系統(tǒng)控制臂，在實(shí)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(jì)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(duì)比

對(duì)比三種擺放方式（如表1所示）的計(jì)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(shí)間,、成本,，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件,，僅依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)很難快速確定最佳擺放方式，往往需要借助工藝試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定,，不僅給企業(yè)添加額外制造成本，而且大量延長(zhǎng)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(shí)間等因素綜合對(duì)比，可以幫助工程師快速實(shí)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(duì)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(fèi),。因此,，對(duì)于激光粉末床熔化成形工藝過(guò)程，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(cuò)試驗(yàn)，所以往往耗時(shí),、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(yàn)過(guò)程。

以某零件支撐設(shè)計(jì)為例,，該零件由拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)支撐設(shè)計(jì)要求較高，需要進(jìn)行合理優(yōu)化,。因此,，在最初支撐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,，利用ANSYS Additive Print仿真分析軟件預(yù)測(cè)構(gòu)件變形、應(yīng)力分布,，基于預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的支撐再優(yōu)化,，實(shí)現(xiàn)較佳的支撐設(shè)計(jì)（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(shí)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(dú)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(jì)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(xiǎn),。因此,，需要對(duì)結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行基于增材制造約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì),，懸垂面減少,，成形時(shí)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(guò)對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)，變形風(fēng)險(xiǎn)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(jì)

-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(duì)于構(gòu)件成形質(zhì)量影響較大（對(duì)于精度要求超過(guò)工藝制造精度，必須依靠后處理機(jī)械加工來(lái)保證）,，對(duì)于某些對(duì)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(bào)廢。

圖5 某零件變形補(bǔ)償模型

借助仿真軟件分析,，自動(dòng)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(shí)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(guò)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(guò)程中強(qiáng)化相來(lái)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(guò)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(duì)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(shí)，熱處理結(jié)果

-通過(guò)熔池尺寸特征優(yōu)化不同激光功率,、掃描速率組合
金屬增材制造成形質(zhì)量很大程度上由微觀熔池尺寸特征決定,，而激光功率、掃描速率是控制熔池尺寸特征的基本參數(shù),，較優(yōu)的激光功率,、掃描速率匹配組合,，可以避免匙孔、未熔合,、球化等缺陷的產(chǎn)生,。ANSYS Additive Science工具可以計(jì)算不同激光功率、掃描速率組合下的熔池尺寸,，快速找到較優(yōu)的組合匹配,，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。

以某國(guó)際知名品牌激光粉末床熔化設(shè)備TC4大層厚60μm工藝參數(shù)優(yōu)化為例,，計(jì)算激光功率300W~450W,，掃描速率700mm/s~1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度達(dá)到90μm，深寬比小于0.95,，長(zhǎng)寬比小于4.2為優(yōu)化準(zhǔn)則,，選擇最優(yōu)激光功率、掃描速率組合匹配,，圖7~9為計(jì)算結(jié)果,，最終優(yōu)化的最優(yōu)匹配結(jié)果為350W、1300mm/s組合,。

圖7 不同激光功率,、掃描速率熔池重熔深度

圖8 不同激光功率、掃描速率熔池深寬比

圖9 不同激光功率,、掃描速度熔池長(zhǎng)寬比

-分析不同掃描間距下粉末未熔合產(chǎn)生的孔隙率
確定激光功率,、掃描速率的較優(yōu)匹配之后，不同的掃描間距將產(chǎn)生不同的搭接率,，較大的掃描間距,，可能產(chǎn)生未熔合等材料內(nèi)部冶金缺陷，較小的掃描間距可能導(dǎo)致搭接率過(guò)大,，影響成形效率及表面質(zhì)量,。利用ANSYS Additive Science工具計(jì)算不同掃描間距下材料未熔合產(chǎn)生的孔隙率，實(shí)現(xiàn)激光功率,、掃描速率,、掃描間距的綜合參數(shù)優(yōu)化。

在2.1得到的較優(yōu)激光功率,、掃描速率組合匹配基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步計(jì)算不同掃描間距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率（如圖10所示），以粉末率小于0.005作為優(yōu)化準(zhǔn)則,。最終優(yōu)化結(jié)果為,，當(dāng)掃描間距達(dá)到0.15mm時(shí)，粉末率達(dá)到0.0047,，因此,，優(yōu)化結(jié)果為掃描間距將不能大于0.15mm,。

圖10 不同掃描間距下粉末未熔合孔隙率

-分析不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、取向特征
材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征晶粒尺寸,、形狀,、生長(zhǎng)取向等決定了材料的宏觀力學(xué)性能。金屬增材制造過(guò)程中,，微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)加工工藝參數(shù)具有較高的敏感性,，研究工藝參數(shù)與微觀組織結(jié)構(gòu)特征的定量關(guān)系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以計(jì)算不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸,、生長(zhǎng)取向,。圖11為不同冷卻速率、掃描旋轉(zhuǎn)角度下晶粒尺寸,、取向計(jì)算結(jié)果,，材料為高溫合金GH4169。

圖11 不同冷卻速率,、掃描旋轉(zhuǎn)角度下晶粒尺寸,、取向計(jì)算結(jié)果

熔池的冷卻速率影響微觀晶粒組織，從計(jì)算結(jié)果可以看出,，隨著冷卻速率（主要由激光功率,、掃描速度決定）的增加，晶粒尺寸細(xì)化,，平均粒徑大約由45μm細(xì)化到15μm,，晶粒分布也越均勻。層間旋轉(zhuǎn)角度不僅對(duì)晶粒取向影響明顯,，對(duì)晶粒尺寸分布影響也較為顯著,，67°旋轉(zhuǎn)較79°和180°晶粒尺寸分布更加均勻。此外,，從計(jì)算結(jié)果也可以看出,，水平方向上晶粒組織由于散熱條件的不同,，晶粒生長(zhǎng)方向各異,，水平方向與垂直方向晶粒組織差異明顯。

基于晶粒尺寸定量計(jì)算結(jié)果,，可以進(jìn)行材料宏觀力學(xué)性能預(yù)測(cè),。對(duì)于大多數(shù)材料，晶粒尺寸可以預(yù)測(cè)材料的屈服強(qiáng)度,，利用Hall-Petch方程：σ0.2=σ0+Ky/d1/2 ,其中 d為晶粒直徑,，σ0和Ky是材料常數(shù)，可以定量計(jì)算材料的屈服強(qiáng)度,。建立工藝參數(shù)與晶粒組織的定量關(guān)系,，對(duì)于精確控制成形材料的組織及力學(xué)性能具有重要意義,。

-構(gòu)件幾何尺度的溫度歷史預(yù)測(cè)
金屬增材制造過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控必不可少，增材制造設(shè)備也將更加智能化,，溫度傳感器（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池溫度）,、光敏傳感器（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池亮度、面積）,、智能鋪粉,、實(shí)時(shí)成形材料缺陷監(jiān)測(cè)等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用熱點(diǎn)。

利用溫度傳感器可以實(shí)時(shí)獲取熔池表面的溫度變化及分布特征,，但很難精確描述熔池內(nèi)部的溫度演變歷史,。利用仿真手段，對(duì)構(gòu)件幾何尺度任意區(qū)域的詳細(xì)溫度變化歷史進(jìn)行虛擬預(yù)測(cè)（如圖12所示）,，可以為構(gòu)件成形精度,、內(nèi)部缺陷、微觀組織及力學(xué)性能的質(zhì)量追溯,、分析評(píng)價(jià)提供溫度歷史數(shù)據(jù),。

圖12 溫度歷史監(jiān)測(cè)結(jié)果

—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(jì)等工作,。