如何利用仿真技術(shù)克服激光粉床熔融的挑戰(zhàn),？看完這3個(gè)生產(chǎn)實(shí)例你就懂了,！

來(lái)源： Oqton

激光器數(shù)量越多意味著功率越高,、打印速度越快,、單個(gè)零件成本越低,， 至少這是對(duì)具有兩臺(tái),、三臺(tái),、四臺(tái)甚至十二臺(tái)激光器的新一代激光粉床熔融 (LPBF) 設(shè)備的主要期望。但是,，大幅增漲的能量輸入其實(shí)存在意想不到的挑戰(zhàn),。如何識(shí)別這些挑戰(zhàn)，又該如何利用仿真技術(shù)應(yīng)對(duì)呢,？

熱仿真技術(shù)應(yīng)對(duì)激光粉床熔融的挑戰(zhàn)
LPBF 是一種增材制造 (AM) 工藝,。這種工藝中，將激光束作用于金屬粉末,，一層一層地打印出零件,。為了提升設(shè)備生產(chǎn)速度，打印機(jī)生產(chǎn)商開(kāi)始增加更多的激光器,，這將導(dǎo)致零件過(guò)熱,、收縮以及微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等材料特性發(fā)生變化的風(fēng)險(xiǎn)增加。有時(shí),，即便零件肉眼檢查是正常的,，在實(shí)際使用時(shí)卻會(huì)出現(xiàn)裂紋或其他失效。

使用含四臺(tái)激光器的設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致馬氏體時(shí)效鋼（以下簡(jiǎn)稱(chēng)模具鋼）嚴(yán)重過(guò)熱,，這一點(diǎn)可通過(guò)變色看出,。

為了排除使用激光選區(qū)熔融打印可能的失敗，制造商可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)字仿真,。通過(guò)熱仿真,，可以研究增加激光器數(shù)量的后果，并預(yù)估它們對(duì)零件質(zhì)量的影響,。

目前， 熱仿真著重處理單個(gè)零件,，研究支撐結(jié)構(gòu)或零件本身是否足以將熱量輸送到基板上,。不過(guò),，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)單個(gè)零件的溫度，需要知道整個(gè)任務(wù)的打印速度,。即使兩個(gè)零件之間未傳遞任何熱量,，但是仍然需要考慮真實(shí)的打印設(shè)置，這一點(diǎn)至關(guān)重要,。


Amphyon賦能激光熔融工藝
仿真軟件 Amphyon 采用兩階段法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光選區(qū)熔融工藝的精確仿真,。

首先，Amphyon 根據(jù)激光器的數(shù)量,、激光功率,、掃描速度、鋪粉時(shí)間等參數(shù)計(jì)算出打印速度,。然后,，Amphyon 通過(guò)熱學(xué)有限元分析來(lái)預(yù)測(cè)絕對(duì)溫度。在這種情況下,，不計(jì)算熔化溫度以上的峰值,，因?yàn)樵摂?shù)值并不相關(guān)。相反,，需要知道的是在開(kāi)始掃描下一層之前的零件環(huán)境溫度,。如果某一層生成的溫度過(guò)高，Amphyon 可以計(jì)算出冷卻所需的時(shí)間,，最終節(jié)省打印時(shí)間,。

讓通過(guò)三個(gè)生產(chǎn)實(shí)例，為您展示如何借助仿真來(lái)避免過(guò)熱,。這三個(gè)實(shí)例是基于工程師在激光選區(qū)熔融中遇到的真實(shí)場(chǎng)景,。

實(shí)例 1：?jiǎn)渭す庠O(shè)備與四激光設(shè)備
您可能會(huì)認(rèn)為，單激光設(shè)備與四激光設(shè)備之間的唯一區(qū)別就是功率不同,。但通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),，此過(guò)程遠(yuǎn)比表面上看到的情況復(fù)雜。

針對(duì)用模具鋼制造模具進(jìn)行的熱仿真顯示,，在一臺(tái)設(shè)備上再增加三臺(tái)激光器將會(huì)顯著提高溫度峰值,。使用單激光器設(shè)備制造的零件，其溫度峰值約為 162°C (324°F),；使用四激光器設(shè)備后,，零件溫度峰值達(dá)到 351°C (664°F)。

當(dāng)溫度如此高的鋼材迅速冷卻到室溫時(shí),，會(huì)變成馬氏體,，這是一種既硬又脆的鐵碳固溶體。這種材料的表現(xiàn)也是不同于其他材料的,。

在本例中,，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn),，使用更多的激光器會(huì)改變零件的質(zhì)量以及零件在后期加工和最終應(yīng)用中的表現(xiàn)。

通過(guò)仿真,，可以比較單激光器設(shè)備和四激光器設(shè)備在打印此大型零件時(shí)達(dá)到的溫度峰值,。

實(shí)例 2：?jiǎn)蝹�(gè)零件與滿版打印
正如熱仿真所示，打印平臺(tái)上的零件數(shù)量會(huì)顯著改變零件的溫度和質(zhì)量,。

為了研究這一現(xiàn)象,，將放置九個(gè)零件的打印平臺(tái)和僅一個(gè)零件的打印平臺(tái)進(jìn)行對(duì)比。這些零件均采用相同打印設(shè)置,，在同一臺(tái)設(shè)備上用 316L 不銹鋼制造,。溫度峰值的差異相當(dāng)顯著：排版多個(gè)零件后的溫度峰值為 248°C (478°F)，而單個(gè)零件的溫度峰值高達(dá) 658°C (1216°F),。

測(cè)試表明,，單個(gè)零件的打印不能代表排版多個(gè)零件的生產(chǎn)環(huán)境。據(jù)此可推,，不應(yīng)該假設(shè)零件的質(zhì)量完全一致,，因?yàn)闇囟壬�高�?huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的熱變形和收縮，從而產(chǎn)生不同的材料性能,。

排版多個(gè)零件和單個(gè)零件的仿真實(shí)例可以看出,，溫度峰值的差異相當(dāng)顯著。

實(shí)例 3：不同高度的零件

用八根拉力試棒圍繞一個(gè) TC4 零件進(jìn)行了仿真,。雖然拉伸棒從未超過(guò) 325°C (617°F),，但零件本身卻過(guò)熱了，其上部區(qū)域達(dá)到 600-700°C (1112-1292°F) 的溫度,根本原因在于上部區(qū)域每層打印面積的減少導(dǎo)致了打印速度的加快,。打印速度的加快則會(huì)導(dǎo)致散熱的時(shí)間不一樣,。而溫度的差異會(huì)導(dǎo)致零件和拉伸棒的材料性能發(fā)生變化，即使它們是在同一任務(wù)中制造的,。

這項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)也適用于其他生產(chǎn)任務(wù)中,。零件的高度與拉力試棒不同，導(dǎo)致了溫度峰值的差異,。要確定準(zhǔn)確的溫度峰值,，最好對(duì)該過(guò)程進(jìn)行仿真。

對(duì)零件和拉力試棒進(jìn)行的仿真表明,，雖然拉力試棒的溫度不超過(guò) 300℃,，但實(shí)際零件的上部區(qū)域已經(jīng)過(guò)熱，溫度高達(dá) 600-700℃,。

這三種情況是工程師在使用激光選區(qū)熔融技術(shù)時(shí)經(jīng)常遇到的場(chǎng)景,。Oqton堃騰的 Amphyon軟件可通過(guò)精確的打印速度分析和熱仿真，包含實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定打印的自適應(yīng)方法,，幫助工程師避免零件制造過(guò)程中出現(xiàn)的意外問(wèn)題,。

Oqton 堃騰
Oqton（堃騰）聚焦運(yùn)用AI人工智能,、云計(jì)算技術(shù)研發(fā)智能自動(dòng)化制造解決方案，賦能制造企業(yè)提高創(chuàng)新和效率,。旗下Manufacturing OS連接工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制造，為制造企業(yè)提供全組織完整可追溯性和可見(jiàn)性,。 Geomagic,、3DXpert 和 Amphyon軟件在逆向工程、三維檢測(cè),、有機(jī)設(shè)計(jì),、3D 打印及成型仿真模擬方面協(xié)助制造企業(yè)快速連接分布式工程和生產(chǎn)任務(wù)、完成復(fù)雜工程和生產(chǎn)任務(wù),。