通過仿真來管理3D打印的預(yù)期

今天的許多飛機(jī)零部件都是用3D打印制造的，而無論采用何種技術(shù)，確保它們的質(zhì)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(zhì)量和知道如何達(dá)到期望的質(zhì)量仍值得研究的。

仿真可以幫助到這一點(diǎn)，因?yàn)樗�可以模擬激光融化金屬的過程并證明所得部件的價(jià)值。這不僅能降低3D打印的失敗率，還有助于提高零部件質(zhì)量并縮短使用者的學(xué)習(xí)時(shí)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(shí)候，他們只能通過不斷嘗試才能得滿意的打印結(jié)果 — 這必然會增加無謂的金錢、時(shí)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(jié)過程中的行為預(yù)測，以及不同的材料性能對產(chǎn)品的影響。

當(dāng)然，除了材料的特性，當(dāng)前不同的增材制造設(shè)備其細(xì)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(dú)特性。從質(zhì)量和認(rèn)證的角度來看，仿真軟件需要配合不同的設(shè)備基于物理的可量化的機(jī)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(jié)果的性能亦需要考慮進(jìn)來。

這帶來了仿真的復(fù)雜性。相對來說實(shí)現(xiàn)增材制造建模需要達(dá)到的幾何形狀是比較簡單的，難度在于實(shí)現(xiàn)那些尤其是航空航天領(lǐng)域非常嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)，包括強(qiáng)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(gè)增材制造生態(tài)系統(tǒng)，仿真軟件需要與機(jī)器制造商合作，以獲得設(shè)備的物理參數(shù)權(quán)利；需要與材料供應(yīng)商合作，以保證材料科學(xué)指標(biāo)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(yù)測結(jié)果與實(shí)際效果之間匹配的權(quán)利。根據(jù)所有的材料、設(shè)備和產(chǎn)品的關(guān)鍵信息，預(yù)測如何改變材料，機(jī)器和建模。仿真最終的目標(biāo)是為了使人們不需要交“學(xué)費(fèi)”，將設(shè)備當(dāng)成試驗(yàn)品，仿真的目的是不浪費(fèi)時(shí)間和金錢，避免錯(cuò)誤發(fā)生。

仿真，的確是個(gè)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(yù)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(yán)格控制粉末以達(dá)到最高性能。嚴(yán)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(yán)格的要求對應(yīng)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(fèi)，以及避免試驗(yàn)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(yù)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(xué)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(gòu)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(zhǔn)確的溫度歷史，這種歷史可以用來預(yù)測材料的晶體結(jié)構(gòu)、孔隙度、變形和殘余應(yīng)力。仿真數(shù)據(jù)基于設(shè)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(dǎo)率。

通過仿真可以調(diào)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(yù)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)是通過對超過1000種不同的材料組合性能特點(diǎn)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(jié)果，來幫助確定材料特性和熔池寬度以及深度之間的關(guān)系，通過精確地模擬熔池寬度和深度，可以直接預(yù)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(jié)果

其中一個(gè)難點(diǎn)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(gè)屬性是很重要的，但是要通過開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)來準(zhǔn)確而快速地測量這個(gè)屬性是很難的，這是體現(xiàn)仿真軟件可靠性的一個(gè)衡量因素。

仿真需要考慮材料的熔化和凝固點(diǎn)。通常情況下，當(dāng)用戶購買粉末的時(shí)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(xué)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(shí)際上發(fā)生的非常快，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(dá)到，材料實(shí)際還是軟的，因?yàn)槟�固不充分。所以仿真不僅僅需要考慮熔點(diǎn)，還需要考慮凝固點(diǎn)。如果沒有考慮凝固點(diǎn)，在凝固不充分的情況下，仿真結(jié)果的真實(shí)性往往會偏離40％。

通過仿真來確定支撐結(jié)構(gòu)

總體來說，3D打印專用的的仿真軟件依然是一個(gè)全新的領(lǐng)域，而在其中，仿真將是管理預(yù)期的一種重要手段。它可以在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)之前告訴制造商可以做什么，怎樣設(shè)置支撐，怎樣得到優(yōu)化的結(jié)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(yù)知的故障。

轉(zhuǎn)自3D科學(xué)谷