案例展示金屬增材制造過程仿真分析(上篇）

作者：郭鵬偉  安世中德增材應用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計等工作。

隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷深入應用，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。

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。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行支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以避免反復的工藝試驗過程。

以某零件支撐設(shè)計為例，該零件由拓撲優(yōu)化設(shè)計而成，結(jié)構(gòu)較復雜，薄壁、細小連接桿件、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仿真分析軟件預測構(gòu)件變形、應力分布，基于預測結(jié)果，進行相應的支撐再優(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）。目前拓撲優(yōu)化軟件很難完全考慮制造約束，拓撲優(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)、細小連接桿件等增加了成形風險。因此，需要對結(jié)構(gòu)再次進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)果進行增材仿真分析，進行結(jié)構(gòu)的重新優(yōu)化設(shè)計，變形風險明顯降低（如圖4所示）。

圖4 某零件拓撲優(yōu)化結(jié)果再優(yōu)化設(shè)計

-變形補償提高成形精度
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致零件報廢。

圖5 某零件變形補償模型

借助仿真軟件分析，自動輸出變形補償模型（如圖5所示），以變形補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“高強低塑”特征，且部分合金材料在快速凝固過程中強化相來不及析出（第二相析出強化機制），因此成形后材料塑性或強度指標需要通過熱處理進一步改善。

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行仿真分析，可以達到優(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

未完，《案例展示金屬增材制造過程仿真分析（下篇）》將通過案例展示微觀尺度增材制造過程仿真分析，敬請關(guān)注。

—作者—
郭鵬偉
安世中德增材應用工程師，目前從事金屬增材工藝仿真、增材設(shè)計等工作。