掃描策略對(duì)增材制造工藝仿真的重要性

來源：安世亞太

安世亞太和中科煜宸針對(duì)增材制造工藝仿真中工藝掃描模擬的要求，聯(lián)合開發(fā)了可考慮掃描路徑的工藝仿真軟件AMProSim-DED。本期增材專欄文章，將以此為基礎(chǔ)對(duì)工藝掃描路徑對(duì)增材制造仿真精度的重要性進(jìn)行研究對(duì)比。研究在增材制造工藝仿真過程中，不同掃描路徑對(duì)增材制造過程的溫度、應(yīng)力及變形的影響。

掃描路徑模擬的重要性測(cè)試
為了研究模擬掃描路徑對(duì)增材制造工藝仿真的重要性，對(duì)一圓環(huán)件分別進(jìn)行逐層堆積與逐圈堆積的增材制造工藝仿真，對(duì)比其打印過程中的溫度、變形及應(yīng)力的分布。

▲圖1.變形分布

來源：安世亞太

打印結(jié)束后，逐層堆積與逐圈堆積兩種方案的工藝仿真，其最大變形相差約37%，最大應(yīng)力相差17.5%，且逐圈堆積的變形及應(yīng)力更小，而這與增材制造工藝分區(qū)掃描可以降低變形和應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)趨勢(shì)是一致的，說明考慮工藝路徑可以獲得更好的工藝仿真精度。

▲圖2.應(yīng)力分布

來源：安世亞太

由此可見，在增材制造工藝仿真中，掃描路徑很關(guān)鍵，精細(xì)的路徑模擬可以極大提高仿真精度。而市場(chǎng)上的工藝仿真軟件無論采用固有應(yīng)變算法，還是熱力耦合算法，大多數(shù)不考慮工藝掃描策略，而是逐層堆積，即使考慮工藝掃描策略，也過于簡(jiǎn)單，或只能分區(qū)，或不能與工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)提供接口， 無法真實(shí)模擬掃描路徑的影響。因此，需要進(jìn)行考慮掃描策略的增材制造工藝仿真。

考慮掃描策略的增材制造工藝仿真
為了進(jìn)行考慮掃描策略的增材制造工藝仿真，首先需要研究掃描策略的路徑及其數(shù)據(jù)格式。各個(gè)打印廠商采用不同的路徑規(guī)劃軟件，路徑規(guī)劃軟件形成的路徑文件格式各不相同，基本含有以下信息：切片厚度、熱源功率及其狀態(tài)、掃描速度、間距、路徑類型及其路徑點(diǎn)坐標(biāo)、停留時(shí)間等信息，以便于用于打印機(jī)識(shí)別。

但路徑規(guī)劃軟件輸出的掃描路徑信息并不利于工藝仿真直接使用，因此需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需將原有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為仿真可以讀取的路徑數(shù)據(jù)表，將描述掃描路徑熱源功率及其狀態(tài)、掃描速度、路徑坐標(biāo)點(diǎn)及其停留時(shí)間。

▲圖3.路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換前后：蛇形掃描示例

來源：安世亞太

▲路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換前后：蛇形掃描示例

來源：安世亞太

最后，基于轉(zhuǎn)化后的掃描路徑，采用ANSYS單元生死技術(shù)依次激活成型材料來模擬增材制造過程隨時(shí)間變化的熱傳遞過程；并在瞬態(tài)熱分析的基礎(chǔ)上，通過熱應(yīng)力耦合分析來進(jìn)行變形以及應(yīng)力的分析。

為了面向工程應(yīng)用及普遍適用性，安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開發(fā)的考慮掃描路徑的專業(yè)增材制造工藝仿真軟件AMProSim-DED。AMProSim-DED可以考慮溫度相關(guān)的材料非線性屬性，基于工藝文件的運(yùn)動(dòng)路徑信息，模擬增材制造工藝的材料堆積過程，可以詳細(xì)模擬零件分區(qū)、打印路徑以及熔融冷卻的相變過程對(duì)增材制造過程的影響，預(yù)測(cè)增材制造過程中的溫度、應(yīng)力和變形，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而保證3D打印質(zhì)量和打印效率，避免低效的試錯(cuò)過程。

應(yīng)用案例：圓環(huán)件增材制造工藝仿真分析
基于以上掃描路徑的轉(zhuǎn)化，對(duì)一圓環(huán)件進(jìn)行不同掃描策略的研究：
模型：內(nèi)徑30mm，壁厚3mm，軸向高度15mm
材料：316L
工藝：激光功率1200W；掃描速度10mm/s；層厚0.3mm
        
掃描策略：
掃描策略1：環(huán)向掃描
掃描策略2：?jiǎn)蜗驋呙?br /> 掃描策略3：?jiǎn)蜗驋呙瑁ㄊ讓?7°，層間旋轉(zhuǎn)67°）

▲圖4.掃描策略

來源：安世亞太

                        
l 溫度場(chǎng)分析
基于三種不同的掃描策略，對(duì)圓筒件進(jìn)行單道的增材制造工藝仿真的溫度分析，下圖為打印結(jié)束后的溫度分布，環(huán)形掃描的打印時(shí)間低于單向掃描。

▲圖5.打印結(jié)束后的溫度分布

來源：安世亞太

通過不同掃描策略對(duì)比結(jié)果，發(fā)現(xiàn)環(huán)形掃描優(yōu)于單向掃描策略。因此對(duì)一內(nèi)徑50mm、壁厚3mm軸向高度60mm的環(huán)形件采用環(huán)向掃描策略進(jìn)行增材制造工藝的制造與仿真，提取相關(guān)數(shù)據(jù)：

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：熔池溫度從第一層1300攝氏度開始逐漸增大，增長(zhǎng)速度大約為10度/層（簡(jiǎn)化為線性），約25層后，保持1550度不變。

仿真數(shù)據(jù)：筒壁中心的溫度從1290℃開始逐漸增大，前20層的最高溫度增長(zhǎng)速度較快；之后增長(zhǎng)較為緩慢，最終趨于穩(wěn)定，約為1576℃。

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)對(duì)于仿真與實(shí)測(cè)的打印過程中的最高溫度及其演變趨勢(shì)相接近，誤差較小（可控制在5%），精度可以達(dá)到要求。

   

▲圖6.增材制造工藝仿真的溫度曲線

來源：安世亞太

l 應(yīng)力分析
在熱分析的基礎(chǔ)上，通過熱應(yīng)力耦合分析來進(jìn)行變形以及應(yīng)力的仿真分析，下圖為打印結(jié)束后的變形及應(yīng)力分布云圖，由此可見：環(huán)向掃描的應(yīng)力低于單向掃描；單向旋轉(zhuǎn)掃描略低于無旋轉(zhuǎn)掃描，這與根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的結(jié)論相符。

▲圖7.打印結(jié)束后的應(yīng)力分布

來源：安世亞太

綜上，從仿真的角度，不同掃描策略對(duì)增材制造零件的溫度、變形、應(yīng)力皆有影響，而對(duì)于圓環(huán)件，相對(duì)于單向掃描，環(huán)向掃描無疑是一種打印時(shí)間短、應(yīng)力及變形皆小的掃描策略。


總結(jié)
針對(duì)增材制造工藝仿真中工藝掃描模擬的要求，安世亞太和中科煜宸聯(lián)合開發(fā)了可考慮掃描路徑的工藝仿真軟件AMProSim-DED，本文以此為基礎(chǔ)對(duì)工藝掃描路徑對(duì)增材制造仿真精度的重要性進(jìn)行了研究對(duì)比，結(jié)果表明，考慮工藝掃描路徑后可以得到更為符合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，能夠真實(shí)反映不同掃描策略帶來的變形和應(yīng)力差異，從而真正做到基于工藝仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)工藝策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

—作者—

逯璐
大連理工大學(xué)材料工程專業(yè)碩士，擅長(zhǎng)材料成型工藝仿真，曾參與國(guó)家863項(xiàng)目實(shí)施�，F(xiàn)為安世中德咨詢有限公司增材制造設(shè)計(jì)工程師，專業(yè)從事增材制造先進(jìn)設(shè)計(jì)及工藝仿真服務(wù)。