案例展示金屬增材制造過程仿真分析

作者：郭鵬偉
來源：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。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。

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《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程仿真分析》將結(jié)合具體案例展示如何開展基于粉末床激光熔化成形制造過程仿真分析，從而減少工藝試錯成本。

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(fèi)。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。基于增材仿真分析進(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

-通過熔池尺寸特征優(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，實現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化。

以某國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)致搭接率過大，影響成形效率及表面質(zhì)量。利用ANSYS Additive Science工具計算不同掃描間距下材料未熔合產(chǎn)生的孔隙率，實現(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，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、生長取向等決定了材料的宏觀力學(xué)性能。金屬增材制造過程中，微觀組織結(jié)構(gòu)對加工工藝參數(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工具可以計算不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、生長取向。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、取向計算結(jié)果

熔池的冷卻速率影響微觀晶粒組織，從計算結(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)角度不僅對晶粒取向影響明顯，對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算結(jié)果，可以進(jìn)行材料宏觀力學(xué)性能預(yù)測。對于大多數(shù)材料，晶粒尺寸可以預(yù)測材料的屈服強(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
金屬增材制造過程質(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（實時監(jiān)測熔池溫度）、光敏傳感器（實時監(jiān)測熔池亮度、面積）、智能鋪粉、實時成形材料缺陷監(jiān)測等設(shè)備實時監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為應(yīng)用熱點。

利用溫度傳感器可以實時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（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、分析評價提供溫度歷史數(shù)據(jù)。

圖12 溫度歷史監(jiān)測結(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)計等工作。