通過仿真來管理3D打印的預期

今天的許多飛機零部件都是用3D打印制造的,，而無論采用何種技術，確保它們的質量都非常重要,。雖然3D打印號稱具有巨大的潛力,，但是確保打印質量和知道如何達到期望的質量仍值得研究的。

仿真可以幫助到這一點,，因為它可以模擬激光融化金屬的過程并證明所得部件的價值,。這不僅能降低3D打印的失敗率，還有助于提高零部件質量并縮短使用者的學習時間,。

目前,，很多制造商不清楚如何考慮材料的特性，以及這些特征會怎樣影響最終產(chǎn)品或其加工性能,，所以大多數(shù)時候,，他們只能通過不斷嘗試才能得滿意的打印結果 — 這必然會增加無謂的金錢、時間,、材料和人力成本,，顯然不是最佳的發(fā)展方式。

仿真,，涉及到粉末材料在激光燒結過程中的行為預測,，以及不同的材料性能對產(chǎn)品的影響。

當然,，除了材料的特性,，當前不同的增材制造設備其細節(jié)上的工藝也有不少差異，建模和仿真的挑戰(zhàn)是捕捉來自特定制造商的獨特性,。從質量和認證的角度來看,，仿真軟件需要配合不同的設備基于物理的可量化的機器參數(shù)，建立數(shù)據(jù)檔案,。其他的因素,，包括粉末后處理變異影響增材制造結果的性能亦需要考慮進來。

這帶來了仿真的復雜性。相對來說實現(xiàn)增材制造建模需要達到的幾何形狀是比較簡單的,，難度在于實現(xiàn)那些尤其是航空航天領域非常嚴格的性能標準,，包括強度和疲勞性能。

仿真軟件自身也需要不斷地優(yōu)化,，這需要聯(lián)合整個增材制造生態(tài)系統(tǒng),，仿真軟件需要與機器制造商合作，以獲得設備的物理參數(shù)權利,；需要與材料供應商合作,，以保證材料科學指標是正確的；需要與測試專家合作,，以確保正在測試的零件是正確的,；需要和與用戶合作，以確保得到更多的預測結果與實際效果之間匹配的權利,。根據(jù)所有的材料,、設備和產(chǎn)品的關鍵信息，預測如何改變材料,，機器和建模。仿真最終的目標是為了使人們不需要交“學費”,，將設備當成試驗品,，仿真的目的是不浪費時間和金錢，避免錯誤發(fā)生,。

仿真,，的確是個大數(shù)據(jù)的活兒

拿增材制造仿真軟件3DSIM來說，軟件需要預測在粉末的特性對產(chǎn)品性能的影響,，并確定哪些零件需要嚴格控制粉末以達到最高性能,。嚴格的規(guī)格要求更精確的材料測試，這增加了制造商的成本,，越嚴格的要求對應著越昂貴的測試成本,，通過仿真對材料屬性在增材制造過程中發(fā)揮的作用，減少昂貴材料的浪費,，以及避免試驗不通過的材料情況發(fā)生,。

一旦零件的幾何形狀被建模，仿真軟件可以用來預測有代表性的激光掃描路徑,。模擬得到激光及其與材料的相互作用模型,。該模型提供了材料在激光作用下從粉末變成液態(tài)再到凝固的科學描繪，模型模擬了粉末在粉末床上被加熱,、能量的爆破,、熔化和快速冷卻凝固過程，每一層的構建由此類推。

一旦建立層的掃描策略,，模擬仿真可以提供該層準確的溫度歷史,，這種歷史可以用來預測材料的晶體結構、孔隙度,、變形和殘余應力,。仿真數(shù)據(jù)基于設備和材料的物理因素，包括粉末材料的堆積密度,，激光能量吸收特性和熱傳導率,。

通過仿真可以調整工藝參數(shù)，以及更換新的粉末,，通過軟件確定掃描策略以及選擇粉末,。模擬軟件將預測這些改變對零件性能的影響。

兩種不同加工參數(shù)下的溫度輪廓

拿3DSIM來說,，軟件設計基礎是通過對超過1000種不同的材料組合性能特點的了解,，了解材料的組合對零件哪些方面有較大的影響，從而得到一些有趣的結果,，來幫助確定材料特性和熔池寬度以及深度之間的關系,，通過精確地模擬熔池寬度和深度，可以直接預測零件的表面粗糙度,、精度和孔隙率,。

仿真顯示不同的激光掃描方向帶來的不同的表面粗糙度結果

其中一個難點是不同材料如何吸收激光能量，這之間的區(qū)別是什么樣的,。很多人都知道這個屬性是很重要的,，但是要通過開發(fā)新的實驗來準確而快速地測量這個屬性是很難的，這是體現(xiàn)仿真軟件可靠性的一個衡量因素,。

仿真需要考慮材料的熔化和凝固點,。通常情況下，當用戶購買粉末的時候,，并不注意粉末熔化溫度有多快,。通常只考慮大小、形狀,、粒度分布,、化學特征。

Supercooling-超冷（或極速冷卻）,，是很少討論的話題,。但是，在增材制造過程中,，冷卻實際上發(fā)生的非�,？欤�通常在超高速（幾微秒）的情況下，熔體溫度就降低幾百度從而凝固,。如果溫度沒有達到,，材料實際還是軟的，因為凝固不充分,。所以仿真不僅僅需要考慮熔點,，還需要考慮凝固點。如果沒有考慮凝固點,，在凝固不充分的情況下,，仿真結果的真實性往往會偏離40％。

通過仿真來確定支撐結構

總體來說,，3D打印專用的的仿真軟件依然是一個全新的領域,，而在其中，仿真將是管理預期的一種重要手段,。它可以在設備運轉之前告訴制造商可以做什么,，怎樣設置支撐，怎樣得到優(yōu)化的結果,。所以可以說,，仿真產(chǎn)生的洞察和理解，減少了制造商的痛苦和不可預知的故障,。

轉自3D科學谷