面向增材制造控形與控性的多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)&系列免費(fèi)講座

來(lái)源：安世亞太

增材制造（Additive Manufacturing,，AM）俗稱(chēng)3D打印,，是通過(guò)材料逐層累積的方法來(lái)制造實(shí)體零件,。增材制造不只是一種制備工藝,，而是一個(gè)包括設(shè)計(jì)-材料-工藝-設(shè)備-檢測(cè)-標(biāo)準(zhǔn)全方位的技術(shù)群,，而先進(jìn)設(shè)計(jì)是增材制造發(fā)揮作用的源頭,。

不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,，增材制造對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)提出了更高的需求：

• 控形與控性多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
• 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
• 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
• 輕量化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
• 組元晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
• 跨學(xué)科多功能融合設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)
• 梯度材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)
  

可以說(shuō),，設(shè)計(jì)是增材制造技術(shù)應(yīng)用的源頭，而力學(xué)設(shè)計(jì)是增材設(shè)計(jì)技術(shù)的核心,！由于涉及的內(nèi)容較多,，很難用一篇文章來(lái)詮釋所有的內(nèi)容。本篇主要概述安世亞太基于控形與控性的多尺度設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)在增材制造的領(lǐng)域所做的一些探索與研究成果,。

在增材制造過(guò)程中,，控形與控性是增材制造中兩個(gè)重要考察指標(biāo)。通常說(shuō)宏觀控形和微觀控性,。而宏觀控形需要重點(diǎn)考慮翹曲變形,、部件開(kāi)裂、刮板碰撞,、支撐開(kāi)裂及飛濺等,；微觀控性需要重點(diǎn)分析球化、孔隙率,、相變,、顆粒尺寸、晶粒結(jié)構(gòu)和初始位錯(cuò)密度,，如圖1所示,。

圖 1 增材制造控形與控性

而真正要實(shí)現(xiàn)增材制造在打印過(guò)程中的控形與控性，需要材料性能-打印設(shè)備-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-打印工藝一體化調(diào)控與優(yōu)化,，這里面就涉及到微觀-細(xì)觀-宏觀多尺度的力學(xué)分析。

多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)
本文涉及到的多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)主要在微觀-細(xì)觀-宏觀多個(gè)尺度層面上進(jìn)行對(duì)微觀結(jié)構(gòu)-細(xì)觀結(jié)構(gòu)-宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究分析,。其實(shí)多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)的核心：多物理過(guò)程耦合和多尺度關(guān)聯(lián),。

圖 2  多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)

增材制造過(guò)程，尤其是SLM打印工藝,，在微觀層面研究主要集中在粉末的成形,、粉末的流動(dòng)、熔池動(dòng)力學(xué)及微觀組織分析等方面,；在細(xì)觀層面研究主要集中在晶格結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,、多孔泡沫金屬力學(xué)性能、晶格結(jié)構(gòu)熱力學(xué)性能以及特殊的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究上,；在宏觀層面上研究主要集中在產(chǎn)品的宏觀力學(xué)性能預(yù)測(cè),、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、輕量化設(shè)計(jì)等等,。如圖2所示,。多尺度力學(xué)設(shè)計(jì)的研究自下而上主要研究零件或產(chǎn)品的成形機(jī)制，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的力學(xué)性能,；自上而下則可以對(duì)打印工藝進(jìn)行優(yōu)化與打印設(shè)備優(yōu)化,。

粉末顆粒的微觀力學(xué)設(shè)計(jì)
控性：粉末篇
在針對(duì)SLM打印工藝中,，為了實(shí)現(xiàn)增材打印過(guò)程控性，安世亞太在金屬粉末成形-撒粉-鋪粉整個(gè)流程中都進(jìn)行了深入地探索和研究,，如下圖3所示,。

在這個(gè)粉末的全流程中，任何工藝參數(shù)的改變都會(huì)影響到最終產(chǎn)品的成形質(zhì)量,。比如在旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝中,，電極轉(zhuǎn)速、等離子體電弧功率等會(huì)對(duì)粉末成形粒度分布產(chǎn)生很大影響,，進(jìn)而會(huì)影響到后期撒粉,、鋪粉以及熔池的形成。

圖 3 金屬粉末成形-撒粉-鋪粉的力學(xué)設(shè)計(jì)

金屬粉末對(duì)SLM打印工藝打印成形件最終質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響,。粉末性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：粉末粒度分布,、氧含量、松裝密度,、粉末流動(dòng)性和粉末形貌等,。

金屬粉末的成形方式有很多，目前比較成熟的用于增材制造的金屬粉末制備工藝主要有兩種：氣霧化法（Vacuum Induction-melting Gas Atomization：VIGA）和等離子旋轉(zhuǎn)電極法(Plasma Rotating Electrode-comminuting Process：PREP）,。這兩種制粉工藝的特點(diǎn)如表1所示,。

表1  氣霧化制粉和等離子旋轉(zhuǎn)電極法制粉特點(diǎn)對(duì)比表

基于此，安世亞太也針對(duì)這兩種金屬粉末制粉工藝進(jìn)行了CAE仿真分析,，研究了制粉機(jī)理,，分析了氣霧化制粉和旋轉(zhuǎn)電極制粉不同制粉工藝參數(shù)對(duì)粉末成形質(zhì)量的影響。如圖4和圖5所示,。

圖4 氣霧化制粉工藝仿真結(jié)果  圖5 旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝仿真結(jié)果

成形后獲得的金屬粉末需要經(jīng)過(guò)給粉器-分粉器-鋪粉器最終到達(dá)成形平臺(tái),，粉末在這一過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)涉及流體（氣體）、粉末通道內(nèi)壁及金屬粉末顆粒之間相互作用的運(yùn)動(dòng),。當(dāng)顆粒密度較低時(shí),，不用考慮顆粒間的相互作用，當(dāng)顆粒較多時(shí),，需要考慮顆粒間的碰撞作用,，當(dāng)顆粒非常稠密時(shí)，顆粒間的摩擦力是流體的主導(dǎo)作用力,。

圖6 金屬粉末撒粉過(guò)程

控性：熔池
影響SLM成形質(zhì)量的因素有很多,，主要可以分為歸納為三類(lèi)：環(huán)境因素、工藝因素和粉末因素,。其中環(huán)境因素主要包括打印設(shè)備的預(yù)熱溫度,、保護(hù)氣體類(lèi)型，循環(huán)氣流量等,，工藝因素主要包括激光功率,、激光掃描速度,、激光掃描路徑、鋪粉層厚,、光斑直徑等等,，粉末因素主要包括粉末的粒度分布、形貌,、氧含量等,。

熔池存在傳熱、對(duì)流,、傳質(zhì),、氣-液界面冶金反應(yīng)以及固-液界面擴(kuò)散等復(fù)雜的動(dòng)態(tài)多物理場(chǎng)過(guò)程。對(duì)熔池的研究需要考慮激光的吸收與散射,、粉末的熔化,、表面張力、合金元素?fù)]發(fā),、汽化,、對(duì)流、輻射,、熔池的熔化與凝固,、高頻次熱循環(huán)下的固態(tài)相變等。安世亞太對(duì)熔池的形成過(guò)程,、以及不同打印工藝參數(shù)變化對(duì)熔池的影響進(jìn)行了深入地研究和探索,，如圖7和8所示。

圖 7 熔池的微觀物理過(guò)程示意  圖8 熔池的不同時(shí)刻的形態(tài)變化

晶格結(jié)構(gòu)的細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)

細(xì)觀尺度是介于微觀尺度與宏觀尺度之間,，細(xì)觀力學(xué)主要研究的是材料在空間上的分布對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,。其目的是將實(shí)際不均勻材料用等效均勻介質(zhì)來(lái)代替，獲得與之等效的力學(xué)性能常數(shù),。

晶格結(jié)構(gòu)也稱(chēng)為點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（Lattice Structure），是某種結(jié)構(gòu)的單胞在空間按照一定的規(guī)律組合成的結(jié)構(gòu),，能夠承載一定的受力并實(shí)現(xiàn)某種特定的功能,。晶格結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高,、比剛度高,、抗沖擊、高散熱隔熱以及電磁屏蔽等優(yōu)越的力學(xué)性能,，當(dāng)前是3D打印的一個(gè)重要研究領(lǐng)域,。

晶格結(jié)構(gòu)是由相同或者不同幾何形狀的晶格單元按照一定的規(guī)則組合而成的，所以晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括晶格單元幾何形狀的設(shè)計(jì)和晶格結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計(jì),。晶格單元是組成晶格結(jié)構(gòu)的最小單元,，晶格單元的設(shè)計(jì)方法主要有實(shí)體幾何構(gòu)造法,、隱式曲面法和拓?fù)鋬?yōu)化法。

圖 9 晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與填充率的關(guān)系

圖 10 晶格單元性能數(shù)據(jù)庫(kù)晶格種類(lèi)

不同的晶格單元有著不同的特性,，對(duì)晶格單元的特性進(jìn)行研究并建立相應(yīng)的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫(kù)才能滿(mǎn)足晶格結(jié)構(gòu)的性能要求,。

結(jié)合安世亞太在仿真設(shè)計(jì)和增材制造領(lǐng)域多年的積淀，利用參數(shù)化建模仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)并建立了多種增材制造晶格單元的性能數(shù)據(jù)庫(kù),，方便我們根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)挑選合適的晶格單元和相應(yīng)的晶格單元設(shè)計(jì)參數(shù),，并且可以根據(jù)不同晶格的性能特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化組合，采用多種晶格進(jìn)行拼接設(shè)計(jì),。見(jiàn)圖9和圖10所示,。

部件系統(tǒng)級(jí)的宏觀力學(xué)設(shè)計(jì)
在宏觀尺度上也就是部件系統(tǒng)級(jí)上，要實(shí)現(xiàn)增材的控形與控性就要從增材打印設(shè)備上,、增材打印工藝,、以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這三個(gè)方面去調(diào)控與優(yōu)化。

增材設(shè)備的宏觀力學(xué)設(shè)計(jì)
增材設(shè)備性能的好壞直接影響到打印產(chǎn)品的性能,，比如若增材設(shè)備的成型腔室剛度不足,，就會(huì)造成打印的產(chǎn)品在成型面上出現(xiàn)變形不一致的現(xiàn)象；如果成型腔室內(nèi)氣流場(chǎng)不佳,，在打印過(guò)程中有可能會(huì)出現(xiàn)煙氣顆粒無(wú)法順利排出,，進(jìn)而可能在打印件內(nèi)部形成缺陷，影響打印件質(zhì)量,。

因此安世亞太針對(duì)公司的增材設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行了各種工況下的仿真優(yōu)化分析,，大大提升了設(shè)備產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為打印產(chǎn)品的控形與控性提供有力的設(shè)備支撐,。針對(duì)公司開(kāi)發(fā)的增材制造設(shè)備所進(jìn)行的仿真優(yōu)化包括：

• 整機(jī)設(shè)備強(qiáng)度分析及優(yōu)化
• 整機(jī)設(shè)備剛度分析及優(yōu)化
• 關(guān)鍵部件疲勞分析及優(yōu)化
• 入口均勻性仿真分析及優(yōu)化
• 打印腔體內(nèi)部氣流場(chǎng),、溫度場(chǎng)仿真分析及優(yōu)化
• 惰性氣體置換流程仿真分析及優(yōu)化
• 廢氣置換流程仿真分析及優(yōu)化
• 燒結(jié)煙氣排出過(guò)程仿真分析
• 打印平臺(tái)動(dòng)密封仿真分析及優(yōu)化
• 整機(jī)散熱仿真分析及優(yōu)化
  

圖11 某SLM增材設(shè)備的整機(jī)散熱分析結(jié)果（速度云圖和溫度云圖）

增材打印工藝仿真
在增材制造過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)打印部件變形,、翹曲,、孔隙、微裂紋等問(wèn)題,。增材制造工藝參數(shù)仿真主要研究加工參數(shù),、粉末、幾何構(gòu)型等因素對(duì)于變形,、殘余應(yīng)力,、部件內(nèi)部組織及性能的影響。

通過(guò)宏觀尺度上增材工藝仿真分析,，可以預(yù)測(cè)部件在打印過(guò)程中可能出現(xiàn)的變形,、翹曲等問(wèn)題，合理優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)形狀、擺放位置和打印支撐結(jié)構(gòu)來(lái)減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力及變形等問(wèn)題,�,；�于增材ANSYS Additive工藝仿真軟件的分析流程如圖12所示。

圖 12  增材工藝仿真流程

對(duì)于變形難以控制的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,，可以采用ANSYS Additive仿真軟件工具的變形補(bǔ)償功能,，來(lái)降低成形零件的失真度，前提是需要實(shí)驗(yàn)標(biāo)定固有應(yīng)變因子,。


產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法有很多,，本篇無(wú)法一一詳細(xì)地講解，在此主要跟大家簡(jiǎn)單地闡述一下基于增材思維的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。

受限于傳統(tǒng)工藝的制造方法約束,，很多通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品無(wú)法制造出來(lái),。在增材制造領(lǐng)域,，拓?fù)鋬?yōu)化和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)將會(huì)大行其道。增材制造這種工藝約束較少,，基本上可以不受限制地將拓?fù)鋬?yōu)化和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制造出來(lái),。

圖13所示為安世亞太設(shè)計(jì)并采用公司DLM-280（SLM打印工藝）設(shè)備打印的一款用于5G通訊小基站的散熱器，該散熱器整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,，傳統(tǒng)工藝很難制造,，因此我們主要考慮采用SLM增材工藝來(lái)制造，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了無(wú)支撐設(shè)計(jì),，大大降低了產(chǎn)品的后處理時(shí)間,，也節(jié)約了打印成本。

和傳統(tǒng)的散熱器相比,，在相同的邊界條件下該散熱器整體散熱性能提升了30%,，在局部高溫區(qū)，散熱性能提升高達(dá)63%,，解決了傳統(tǒng)散熱器整體散熱性能不強(qiáng)以及在局部溫度過(guò)高的問(wèn)題,。

圖 13  5G通訊小基站散熱器

圖14 基于增材思維設(shè)計(jì)并制造的3D打印個(gè)性化定制鞋中底及最終成鞋

圖14所示為基于安世亞太鞋中底設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)并采用激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備生產(chǎn)的個(gè)性化定制TPU鞋中底及最終成鞋。經(jīng)一定范圍的客戶(hù)試穿,，該鞋穿著舒適,，彈性好，透氣性高,，輕便耐用，客戶(hù)滿(mǎn)意度較高,。


面向增材的控形控性設(shè)計(jì)仿真系列免費(fèi)講座
安世亞太發(fā)布線(xiàn)上增材專(zhuān)題,，通過(guò)在線(xiàn)平臺(tái)發(fā)布新產(chǎn)品，解讀3D打印溯溪鞋，以及舉辦9場(chǎng)增材設(shè)計(jì)仿真系列免費(fèi)講座,，歡迎大家關(guān)注和參與,。

7月9日-23日，9場(chǎng)系列直播講座活動(dòng)將解讀面向增材的控形控性解決方案,，并就增材思維,、拓?fù)鋬?yōu)化、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),、設(shè)計(jì)制造一體化等做精彩詮釋,。

前5場(chǎng)講座圓滿(mǎn)結(jié)束，沒(méi)來(lái)得及觀看的用戶(hù)可登錄專(zhuān)題免費(fèi)回看,。接下來(lái)4場(chǎng)依然精彩,，歡迎大家報(bào)名參加。

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