金屬增材制造的挑戰(zhàn)

金屬增材制造的過程是十分復(fù)雜的過程，要成功打印出一個(gè)合格的零部件受到來自材料、打印機(jī)器設(shè)備、工藝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和設(shè)置以及包括后處理等諸多因素的影響。

就工藝本身來說，粉末在熔化過程中，每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個(gè)微型熔池，從粉末熔化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個(gè)微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。同時(shí)金屬粉體粒度、球形度、松裝密度、流動(dòng)性、含氧量、組分等對零件的成形質(zhì)量的影響也較大。

為了熔化粉末，必須有充足的激光能量轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。在激光光斑移動(dòng)后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導(dǎo)的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。

通常這些部分燒結(jié)的顆粒被熔化金屬吸附，并成為牢固地附著在組件表面的顆粒，由于層層鋪粉，在下一層的激光融化處理過程中，仍會(huì)有一些熱量傳導(dǎo)到下面的層，從而將燒結(jié)不完全的顆粒又可能發(fā)生重新熔化。這種漸進(jìn)的熔化和冷卻的層相互發(fā)生作用，且內(nèi)部存在著強(qiáng)烈的物理、化學(xué)變化、復(fù)雜的成形冶金機(jī)理，使得完全從原理層面去掌握金屬增材制造工藝非常困難。

對于一個(gè)實(shí)際金屬打印件，如果完全憑借經(jīng)驗(yàn)或者直觀感覺，進(jìn)行打印的成功率較低，通常采用試錯(cuò)方法，既浪費(fèi)了成本，又大大增加了產(chǎn)品成功打印的制造周期。

圖1：影響金屬3D打印結(jié)果的因素

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)所打印的零部件變形、開裂的問題。同一個(gè)部件，在加工參數(shù)、層數(shù)、材料相同的條件下，構(gòu)建過程中采取不同的取向和位置，所帶來的微觀組織和屬性也是不同的。基本上，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。

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如此多的因素會(huì)影響到金屬3D打印的結(jié)果，這就帶來了仿真的重要性。

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。

控形與控性，是金屬增材工藝中兩個(gè)重要考察指標(biāo)。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(cuò)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(xué)性能和特性。

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金屬增材工藝仿真的價(jià)值

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基于機(jī)器和粉末的標(biāo)定試驗(yàn)，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(jì)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(jìn)行數(shù)字仿真以提前獲取產(chǎn)品打印的性能特性，是解決金屬增材工藝質(zhì)量問題的一個(gè)重要手段和方法。

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通過提前預(yù)測并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化，使得物理的樣品打印減少失敗概率，同時(shí)較大程度地減少打印成本，不合格產(chǎn)品的數(shù)量和試錯(cuò)次數(shù)也大為降低。同時(shí)增材金屬打印件便于制造的設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)修正可以大大增強(qiáng)，增材工藝設(shè)計(jì)流程和經(jīng)驗(yàn)可以累積和固化，機(jī)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。

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在發(fā)展方面，如果微觀金相組織和特性預(yù)測也能夠通過CAE仿真實(shí)現(xiàn)，仿真將大大加快新材料、新機(jī)器、新工藝參數(shù)包的開發(fā)，減少研發(fā)成本和周期，同時(shí)個(gè)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(jià)值匯總?cè)缦聢D2：

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圖2: 金屬增材工藝CAE仿真的價(jià)值

?金屬增材工藝仿真的難點(diǎn)

?雖然增材工藝仿真的價(jià)值比較巨大，但要實(shí)現(xiàn)起來困難較多，難度較大。主要的難點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

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- 空間離散規(guī)模龐大、時(shí)間離散步長數(shù)龐大，計(jì)算時(shí)間如何去滿足工程需求。

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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(shí)打印時(shí)間較長，大件以天計(jì)算，而仿真在熱-固耦合的尺度上時(shí)間步長甚至需要在微秒乃至更小的一個(gè)量級上離散。如何實(shí)現(xiàn)打印工藝過程的模擬，以現(xiàn)有的計(jì)算硬件資源，難度非常大。

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- 宏觀與微觀，多尺度問題

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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(jìn)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(dòng)力學(xué)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(jìn)行分析。

圖3：金屬增材工藝多尺度現(xiàn)象

?- 物理過程機(jī)理復(fù)雜

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僅僅考慮熔池內(nèi)的物理現(xiàn)象，金屬3D打印過程已經(jīng)非常復(fù)雜，其中包含浸潤、毛細(xì)、表面張力、馬蘭格尼對流、熔池動(dòng)力學(xué)、相變等非常復(fù)雜的物理過程，其物理變化的準(zhǔn)確機(jī)理和演變規(guī)律在真實(shí)工程中需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和總結(jié)，很難是物理控制方程就完全預(yù)測和歸納。

根據(jù)3D科學(xué)谷，美國國家技術(shù)研究所（NIST）的研究人員在2014年聲稱在金屬3D打印工藝的粉末熔融過程中有50多種不同的因素在發(fā)揮著作用，研究人員認(rèn)為像尺寸和形狀誤差、熔融層中的空隙、最終部件的高殘余應(yīng)力，以及對材料性能——包括硬度和強(qiáng)度等各種變量相互關(guān)系的研究不足導(dǎo)致了3D打印工藝難以量化控制。金屬粉末的熔化導(dǎo)致不當(dāng)?shù)娜毕?，這造成了熔池內(nèi)的缺陷稱為孔隙和裂縫。

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圖4：熔池內(nèi)物理機(jī)理現(xiàn)象

- 涉及環(huán)節(jié)較多

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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(jì)是否適合打印，機(jī)器設(shè)備，打印工藝設(shè)計(jì)和打印參數(shù)包設(shè)置甚至后處理也會(huì)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。

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- 不確定性和誤差來源較多

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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。

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挑戰(zhàn)還包括正確的收集數(shù)據(jù)的技術(shù)和分析能力，唯有進(jìn)一步研究熔池實(shí)時(shí)監(jiān)測并獲取熔池實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括腔室內(nèi)的溫度傳感器獲取溫度，通過對適時(shí)收集數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析和回歸研究，方可研究影響金屬增材工藝宏觀控形微觀控性的詳細(xì)影響因素，進(jìn)而為工藝仿真分析模型的建立和修正提供最直接的手段和方式。但目前監(jiān)測設(shè)備、手段和完整體系方法還有欠缺。

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有23年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造經(jīng)驗(yàn)，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計(jì)和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。