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专栏 l 案例展示金属增材制造历程仿真剖析(上篇）

宣布时间：

2023-01-11 12:45

　　随着金属增材制造技术的不绝深入应用，如何提高制造质量、制造效率，降低制造本钱，成为人们关注的焦点。利用仿真剖析工具，开展金属增材制造历程剖析，可以有效资助企业快速固化差别零件的成形工艺，提高零件的成形质量和效率，降低零件生产周期和废品率。

　　关于仿真在粉末床激光熔化工艺的应用，谷.专栏一经通过《专栏 l SLM工艺仿真综述》系列的三篇文章加以剖析。本期专栏《案例展示金属增材制造历程仿真剖析(上篇)》将结合具体案例展示如何开展基于粉末床激光熔化成形制造历程仿真剖析，从而减少工艺试错本钱。

　　宏观标准增材制造历程仿真剖析

　　宏观标准增材历程仿真剖析，包括如何借助仿真剖析工具，进行构件的快速摆放设计、支撑优化、结构优化、变形赔偿，以及热处理历程的仿真剖析优化。

　　借助仿真剖析实现构件快速摆放

　　某汽车悬架系统控制臂，在实际成形前，基于ANSYS Additive Print增材仿真剖析软件进行差别摆放方法下快速仿真剖析，确定最佳摆放方法。图1为控制臂的三种摆放方法，图2为盘算变形结果。

图1 控制臂差别摆放方法。来源：安世亚太

图2 三种摆放方法下变形比照。来源：安世亚太

　　比照三种摆放方法(如表1所示)的盘算变形结果以及支撑面积、支撑体积、成形高度，可以选择最适合客户要求的摆放方法。构件摆放方法直接决定着构件可否乐成成形以及成形质量、时间、本钱，关于庞大构件，仅依靠工程师的经验很难快速确定最佳摆放方法，往往需要借助工艺试错实验来确定，不但给企业添加特别制造本钱，并且大宗延长了产品研发、生产周期。利用仿真剖析，从构件变形、应力漫衍、支撑添加量、成形时间等因素综合比照，可以资助工程师快速实现构件最佳摆放方法简直定。

表1 三种摆放方法综合比照。来源：安世亚太

　　仿真剖析优化支撑结构

　　工艺支撑(支撑、约束、散热作用)既要包管构件成形质量，又要容易去除，且支撑内部粉末要容易接纳，制止原料浪费。因此，关于激光粉末床熔化成形工艺历程，支撑结构的设计和优化极其要害。现阶段支撑结构优化手段匮乏，主要依靠工艺试错试验，所以往往耗时、耗力、耗材�；谠霾姆抡嫫饰鼋兄С沤峁褂呕�，可以制止重复的工艺试验历程。

　　以某零件支撑设计为例，该零件由拓扑优化设计而成，结构较庞大，薄壁、细小连接杆件、孔结构以及悬垂结构较多(如图3a、b所示)，对支撑设计要求较高，需要进行合理优化。因此，在最初支撑设计的基础上，利用ANSYS Additive Print仿真剖析软件预测构件变形、应力漫衍，基于预测结果，进行相应的支撑再优化，实现较佳的支撑设计(如图3c、d所示)，确保了零件的高质量成形。

图3 某零件仿真剖析优化支撑结构。来源：安世亚太

　　借助仿真剖析实现构件结构优化

　　激光粉末床熔化成形工艺具有自身奇特的制造特征约束，包括工艺、质料性能以及结构特征约束(如表2所示)。目前拓扑优化软件很难完全考虑制造约束，拓扑优化结果直接成形(或者其他类非面向增材设计零件)往往需要添加大宗的工艺支撑，并且薄壁结构、细小连接杆件等增加了成形危害。因此，需要对结构再次进行基于增材制造约束的优化设计，经过优化设计，悬垂面减少，成形时支撑添加量减少，薄壁特征、细小连接杆件等特征也获得优化，成形乐成率提高，制造本钱也将明显降低。

表2 激光粉末床熔化成形制造约束。来源：安世亚太

　　以某零件为例，通过对设计结果进行增材仿真剖析，进行结构的重新优化设计，变形危害明显降低(如图4所示)。

图4 某零件拓扑优化结果再优化设计。来源：安世亚太

　　变形赔偿提高成形精度

　　金属增材制造构件热变形很难制止，通�？刂剖侄伟ㄖС旁际⒐ひ詹问呕�。热变形关于构件成形质量影响较大(关于精度要求凌驾工艺制造精度，必须依靠后处理机械加工来包管)，关于某些对装配要求较高的构件，一定水平热变形失真可能直接导致零件报废。

图5 某零件变形赔偿模型。来源：安世亚太

　　借助仿真软件剖析，自动输出变形赔偿模型(如图5所示)，以变形赔偿模型做为实际成形原文件，可以有效提高构件成形精度。

　　增材制造后处理-热处理仿真剖析优化

　　金属增材制造成形快速的凝固历程，可以获得较为细密的微观组织结构，然而，由于其“先天”的工艺特征，成形构件剩余应力、成形质料内部气孔缺陷很难制止。通常情况下，金属增材制造成形质料具有“高强低塑”特征，且部分合金质料在快速凝固历程中强化相来缺乏析出(第二相析出强化机制)，因此成形后质料塑性或强度指标需要通过热处理进一步改善。

　　热处理作为金属增材制造较为重要的后处理组织性能调控环节，可以有效的提高成形质料综协力学性能以及消除质料内部缺陷。利用仿真剖析工具，对增材制造热处理进行仿真剖析，可以抵达优化热处理工艺参数的目的。

图6 870℃保温2小时，热处理结果。来源：安世亚太

　　未完，《案例展示金属增材制造历程仿真剖析(下篇)》将通过案例展示微观标准增材制造历程仿真剖析，敬请关注。

增材制造,3D打印,增材制造技术

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