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- 發(fā)表時間：2019-06-28 16:43:12
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1、金屬增材制造面臨的挑戰(zhàn)
雖然金屬增材制造增長速度近些年可觀，但無論是直接能量沉積還是粉末床融化金屬增材制造工藝，本質(zhì)上還存在幾大類挑戰(zhàn)：
●可支持打印的金屬材料種類有限，急需開發(fā)更多的金屬種類以滿足工業(yè)界需求；
●打印速度和效率制約，不適合量產(chǎn)；
●打印成本過高，包括機器和粉末成本，也包括可能存在的打印失敗產(chǎn)生的額外成本；
●需要繁瑣冗長的打印后處理環(huán)節(jié)；
●被打印件質(zhì)量的保證及工藝調(diào)試
其中，質(zhì)量保證是金屬打印至關(guān)重要的要素，金屬增材制造可能出現(xiàn)部件變形、開裂的問題。同一個部件，在加工參數(shù)、層數(shù)、材料相同的條件下，不同的取向和位置，微觀組織和屬性不同。垂直方向柱狀晶的殘余應(yīng)力水平低，水平方向馬氏體相殘余應(yīng)力水平高。增材制造工藝參數(shù)仿真主要研究加工參數(shù)、粉末、幾何構(gòu)型等因素對于宏觀變形、殘余應(yīng)力，部件微觀內(nèi)部金相組織及性能的影響?？匦闻c控性，是金屬增材工藝中兩個重要考察指標。產(chǎn)品打印過程中，也必須關(guān)注宏觀控形，包括翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問題，微觀控性中，需要關(guān)注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)和初始位錯密度等微觀特性，表征到打印件后續(xù)質(zhì)量即為金屬件力學性能和特性。
然而金屬增材制造的過程較為繁瑣，要成功打印出一個合格的零部件受到來自材料、打印機器設(shè)備、工藝設(shè)計、工藝參數(shù)和設(shè)置以及包括后處理等諸多因素的影響，如圖1所示。對于一個實際金屬打印件，完全憑借經(jīng)驗或者直觀感覺，進行打印的成功率較低，通常采用試錯方法，既浪費了成本，又大大增加了產(chǎn)品成功打印的制造周期。
圖1. 金屬打印機的影響因素
2、金屬增材工藝仿真的價值
基于機器和粉末的標定試驗，獲取宏觀的變形修正參數(shù)和微觀的單道掃描信息和參數(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計初期或者增材制造工藝制定期間，利用CAE仿真分析技術(shù)，進行數(shù)字仿真以提前獲取產(chǎn)品打印的性能特性，將是解決金屬增材工藝質(zhì)量問題的一個重要手段和方法。通過提前預(yù)測并在此基礎(chǔ)上進行工藝優(yōu)化，使得物理的樣品打印減少失敗概率，同時較大程度地減少打印成本，不合格產(chǎn)品的數(shù)量和試錯次數(shù)也大為降低。同時增材金屬打印件便于制造的設(shè)計方式和設(shè)計修正可以大大增強，增材工藝設(shè)計流程和經(jīng)驗可以累積和固化，機器的利用率和產(chǎn)品打印的周期得到提高，產(chǎn)品打印的可重新性和質(zhì)量能夠得到保證。如果微觀金相組織和特性預(yù)測也能夠通過CAE仿真實現(xiàn)，仿真將大大加快新材料,新機器,新工藝參數(shù)包的開發(fā)，減少研發(fā)成本和周期，同時個性化微觀結(jié)構(gòu)和獲取期望的材料屬性將成為可能。CAE仿真對于金屬增材打印的價值匯總?cè)缦聢D2：
圖2. 金屬增材工藝CAE仿真的價值
3、金屬增材工藝仿真的困難
雖然增材工藝仿真的價值比較巨大，但要實現(xiàn)起來困難較多，難度較大。主要的困難包括以下幾個方面：
●空間離散規(guī)模龐大、時間離散步長數(shù)龐大，計算時間如何去滿足工程需求。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)件從光斑尺寸到空間上宏觀尺寸的分布，網(wǎng)格化離散的規(guī)模巨大。同時打印時間較長，大件以天計算，而仿真在熱-固耦合的尺度上時間步長甚至需要在微秒乃至更小的一個量級上離散。如何實現(xiàn)打印工藝過程的模擬，以現(xiàn)有的計算硬件資源，難度非常大。
●宏觀與微觀，多尺度問題
熔池內(nèi)部無論是物理現(xiàn)象還是研究對象尺度，都是微觀層面。但是打印的對象尺寸以米為宏觀對象，在其中之間無論是否考慮介觀尺度，如何將眾多與常規(guī)尺度條件下迥然不同的微觀尺度現(xiàn)象與宏觀現(xiàn)象進行統(tǒng)一，如何將增材制造熔池內(nèi)快速冷卻凝固的非平衡態(tài)熔池動力學造成的材料微觀理論和打印件宏觀規(guī)律結(jié)合起來，則需要從多尺度的角度入手進行分析。
圖3. 金屬增材工藝多尺度現(xiàn)象
●物理過程機理復(fù)雜
僅僅考慮熔池內(nèi)的物理現(xiàn)象，增材金屬打印已經(jīng)非常復(fù)雜，其中包含浸潤、毛細、表面張力、馬蘭格尼對流、熔池動力學、相變等非常復(fù)雜的物理過程，其物理變化的準確機理和演變規(guī)律在真實工程中需要實驗驗證和總結(jié)，很難是物理控制方程就完全預(yù)測和歸納。
圖4. 熔池內(nèi)物理機理現(xiàn)象
●涉及環(huán)節(jié)較多
增材金屬制造不僅僅是涉及到金屬粉末的質(zhì)量和特性，還包括增材設(shè)計是否適合打印，機器設(shè)備，打印工藝設(shè)計和打印參數(shù)包設(shè)置甚至后處理也會使得打印質(zhì)量有較大變化。金屬增材制造涉及的環(huán)節(jié)較多
●不確定性和誤差來源較多
由于環(huán)節(jié)長，涉及的因素方方面面，因而不確定性和誤差來源也較多。
4、金屬增材SLM工藝仿真的解決方案和思路
金屬增材工藝包含SLM，EBM，SLS和DMD，包含還有衍生的工藝方法如LBW，EBW，同時為了提高生產(chǎn)力，快速等離子沉積（RPD）也在逐步研發(fā)應(yīng)用中。
我們先聚焦到比較流行和常用的SLM粉末床熔化工藝上，SLM金屬增材制造工藝仿真是一個非常復(fù)雜的典型多尺度和多物理場的分析過程。多尺度體現(xiàn)在從宏觀尺度到介觀尺度再到微觀尺度的多尺度分析；多物理場則需要對包含成型溫度場、氣場(保護氣體)、熔體流場(熔池流體)、速度場(鋪粉過程)、及打印結(jié)構(gòu)的固體應(yīng)力和變形場等多物理場的分析，多物理場作用滲透在金屬增材制造成型的每個階段。
宏觀尺度的仿真分析主要是針對零件成型的工藝仿真，對成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變、成型溫度場以及成型過程中可能存在的風險給出仿真預(yù)測。宏觀分析的對象是打印件自身和工藝設(shè)計的支撐對象，也可能包括基板和必要的機器設(shè)備信息如激光光源。根據(jù)工藝仿真算法的不同，目前又可以分為基于溫度與結(jié)構(gòu)耦合的工藝過程仿真和基于固有應(yīng)變算法的工藝過程仿真。
介觀尺度的仿真分析主要是針對熔池和粉末的分析，包括熔池流動性、熔池大小形貌以及粉末的流動性、粉末傳熱和熔化后的蒸發(fā)、飛濺等現(xiàn)象，考慮熔池內(nèi)部的表面張力、毛細、浸潤，考慮馬蘭格尼對流，目前主要有等效熱耦合和CFD等方法應(yīng)用于該分析，通過熔池動力學預(yù)測溶化過程尤其重要的凝固過程，獲取相變歷程、溫度及溫度梯度歷程包括凝固冷卻速率。
微觀尺度的仿真通過獲取宏觀或介觀尺度分析得到的溫度梯度或凝固冷卻速率，針對金屬增材制造后的晶體組織形態(tài)、晶粒大小與取向以及缺陷和性能預(yù)測等內(nèi)容的分析，目前主要用到的重要方法包括相場法（Phase Field）、自動元胞機（Cellaur Automaton）等，不同的方法各有特點和限制。
圖5.金屬增材制造過程中涉
及到的多尺度和多物理場
4.1 宏觀尺度的工藝過程仿真
目前應(yīng)用于宏觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種，即溫度與結(jié)構(gòu)耦合的(熱彈塑性)有限元分析方法和固有應(yīng)變有限元分析方法。宏觀尺度工藝過程仿真分析結(jié)果通常包括：部件和支撐變形和殘余應(yīng)力（去除支撐前/去除支撐后）；逐層應(yīng)力和變形；變形補償；刮板碰撞檢測；高應(yīng)變區(qū)域；基于應(yīng)力優(yōu)化支撐等。
4.1.1基于溫度場和結(jié)構(gòu)場解耦分析的工藝過程仿真
SLM過程中，由于熱源的移動性和局部性，溫度分布并不均勻，隨著光斑的快速移動，截面上各點的溫度也會發(fā)生急劇變化，材料性能也隨著溫度變化而變化，因此增材打印的過程中，溫度場是非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對流和輻射問題，且溫度場與打印過程中所用的掃描策略以及打印工藝相關(guān)，溫度場的求解是一個很復(fù)雜的過程。
基于溫度場和結(jié)構(gòu)場的解耦工藝仿真具體過程可描述如下：假設(shè)熱（溫度）和結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）物理過程為弱耦合過程，可以先逐層仿真熱現(xiàn)象，并在后續(xù)的結(jié)構(gòu)仿真中利用節(jié)點溫度來計算結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）。在增材過程仿真中，單元格隨著時間逐層變化，首先用分層的笛卡爾網(wǎng)格將整個結(jié)構(gòu)進行劃分，然后采用生死單元技術(shù)層層激活。此時相關(guān)的邊界條件也會發(fā)生變化，比如熱對流表面，邊界條件隨制造過程在內(nèi)部自動更新。當所有的單元層都被激活時，就完成了整個仿真過程。
然而這種算法需要先對增材制造過程中各時刻的溫度場進行瞬態(tài)分析，需占用大量計算時間和存儲空間。商業(yè)軟件ANSYS Workbench通過對零件的溫度場進行逐層計算并累加，然后將溫度場作為初始溫度載荷施加到應(yīng)力場中，對零件逐層進行應(yīng)力場求解，最終得到DMD或SLM過程后零件的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。
圖6. ANSYS Workbench Additive AM 工藝仿真流程
4.1.2基于固有應(yīng)變的工藝過程仿真
固有應(yīng)變理論源于焊接的工藝仿真過程，是由日本的學者提出的。所謂固有應(yīng)變可以看成是內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生源。若將物體處于既無外力也無內(nèi)力的狀態(tài)看作為基準狀態(tài), 固有應(yīng)變ε＊就是表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時, 與基準狀態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變, 它等于總的變形應(yīng)變ε減去彈性應(yīng)變εe，即：
ε＊=ε-εe
在焊接過程中，構(gòu)件受到不均勻加熱并且產(chǎn)生塑性變形時，則固有應(yīng)變即為熱應(yīng)變εp、塑性應(yīng)變εT和相變εX之和，即：
ε＊ =εP +εT +εX
固有應(yīng)變存在于焊縫及其附近, 固有應(yīng)變的大小和分布就決定了最終的殘余應(yīng)力和變形。固有應(yīng)變有限元方法著眼于焊接以后在焊縫和近縫區(qū)存在的固有應(yīng)變(不考慮熔池動力學以及焊接整個過程中的溫度場)，將固有應(yīng)變作為初始值進行一次彈性有限元計算，就可以得到整個焊件的殘余應(yīng)力和變形。金屬增材制造過程可分解成一個個單獨的焊接過程，因此固有應(yīng)變有限元分析方法同樣適用于金屬增材制造。
利用固有應(yīng)變理論進行工藝仿真時，結(jié)合金屬增材制造的具體過程又可以分為以下三種計算模式，即假定均勻應(yīng)變、掃描應(yīng)變和熱應(yīng)變
●假定應(yīng)變模式
假定均勻應(yīng)變是假設(shè)在金屬增材制造成型過程中，每個區(qū)域所受到的固有應(yīng)變的大小都是均勻和各向同性的，其大小與材料的屈服強度和彈性模量相關(guān)，即
