北京航空航天大學(xué)王華明院士在《增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望》中談到，3D打印的顛覆性分為三個(gè)層次：變革結(jié)構(gòu)；變革材料；變革制造。

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談到變革材料，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，在過去的五年里，對(duì)于金屬打印過程中微觀結(jié)構(gòu)的理解和新合金的加工性能已經(jīng)獲得了不少的進(jìn)步。同時(shí)還觀察到微觀結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，在這方面通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對(duì)加工冶金學(xué)的進(jìn)一步理解，從而不僅為提高金屬3D打印的工藝控制能力，還為材料制備以及后處理提出了新的要求。

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在SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印過程中，產(chǎn)品的冶金性能方面還與金屬3D打印過程的諸多條件相關(guān)。加工參數(shù)的設(shè)置、粉末的質(zhì)量與顆粒情況、加工中惰性氛圍的控制、激光掃描策略、激光光斑大小以及與粉末的接觸情況、熔池與冷卻控制情況等等都帶來(lái)了不同的冶金結(jié)果。

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通常來(lái)說(shuō)加工越快，表面粗糙度越高，這是兩個(gè)此起彼長(zhǎng)的相關(guān)變量。另外，殘余應(yīng)力是DED以及SLM加工技術(shù)所面臨的共同話題，殘余應(yīng)力將影響后處理和機(jī)械性能參數(shù)。不過，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，根據(jù)對(duì)冶金方面的駕馭能力，殘余應(yīng)力也可以用來(lái)幫助促進(jìn)再結(jié)晶和細(xì)小的等軸晶組織的形成。

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人類在通過3D打印制備新材料方面已經(jīng)獲得了一系列的突破，拿不銹鋼材料舉例，2017年，美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）聯(lián)合喬治亞理工大學(xué)和美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的阿姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們通過改變加工參數(shù)和過程控制來(lái)提高零件的力學(xué)性能。通過控制激光能量以及采取快速冷卻的過程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結(jié)果（3倍的強(qiáng)度）。

為了確保3D打印制品的可靠性，研究和制備過程中需要充分地分析3D打印制品的材料性能以及進(jìn)一步了解材料微區(qū)的結(jié)構(gòu)和性能、微區(qū)再結(jié)晶、Kirkendall空穴、成形過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律、內(nèi)部組織形成規(guī)律、內(nèi)部缺陷和損傷形成機(jī)理。

在《金屬增材制造仿真的解決方案與思路 . 上中篇》中，我們談到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(duì)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(cè)等內(nèi)容的分析，目前主要用到的重要方法包括相場(chǎng)法（Phase Field）、自動(dòng)元胞機(jī)（Cellaur Automaton）等，不同的方法各有特點(diǎn)和限制。

下面，我們來(lái)詳細(xì)了解微觀尺度的組織模擬如何助力金屬3D打印實(shí)現(xiàn)材料的創(chuàng)新。

微觀尺度的組織模擬

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金屬增材制造過程獲得的微觀組織結(jié)構(gòu)將直接影響成型件的性能，獲得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶體組織是金屬增材制造的重要目標(biāo)。受金屬增材制造復(fù)雜過程的影響，晶體的仿真分析也具有相當(dāng)?shù)碾y度。

通過宏觀分析或介觀分析得到的溫度場(chǎng)或相變結(jié)果數(shù)據(jù)后，可進(jìn)一步計(jì)算得到熱梯度、固化速率、冷卻速率和形態(tài)因子，這是微觀尺度進(jìn)行金相組織的輸入?yún)?shù)。

微觀組織數(shù)值模擬通常包含確定性方法、概率法和相場(chǎng)法，確定性方法通常有前沿跟蹤法，概率法包含蒙特卡羅法和CA法。確定方法和概率方法模擬晶粒生長(zhǎng)時(shí)都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對(duì)三維形貌模擬，有一定的困難；相場(chǎng)方法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ)，用微分方程體現(xiàn)擴(kuò)散、有序化勢(shì)和熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的綜合作用，用統(tǒng)一的控制方程，不必區(qū)分固液相及其界面，能夠直接模擬微觀組織的形成，相場(chǎng)法和元胞自動(dòng)機(jī)法是微觀組織模擬仿真常用的兩種數(shù)值模擬方法。

• ?PF相場(chǎng)法

相場(chǎng)法的關(guān)鍵是引入序參量場(chǎng)F和彌散型界面，使界面位置隨空間和時(shí)間的變化隱含在相場(chǎng)變量隨時(shí)間和空間的演化之中，朗道理論用于描述微觀組織的演化，微觀組織演化則通過求解控制空間上不均勻的序參量場(chǎng)的時(shí)間關(guān)聯(lián)的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方程而獲得。相場(chǎng)法的優(yōu)點(diǎn)主要是無(wú)需跟蹤界面、易于處理復(fù)雜的生長(zhǎng)行為（如各向異性等）、與熱力學(xué)直接相關(guān)，可耦合真實(shí)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、易于與一些物理機(jī)制關(guān)聯(lián)（如外場(chǎng)）。缺點(diǎn)主要在于計(jì)算量巨大、速度慢效率低、需構(gòu)造自由能函數(shù)（有時(shí)很復(fù)雜）、界面不真實(shí)、、一些物理參數(shù)獲取較困難、數(shù)學(xué)處理復(fù)雜，同時(shí)可模擬的尺度較?。ㄗ畲罂蛇_(dá)幾十個(gè)微米），計(jì)算區(qū)域小。

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三維相場(chǎng)法計(jì)算微觀金相組織

• ?CA元胞自動(dòng)機(jī)法

元胞自動(dòng)機(jī)法的特點(diǎn)主要是空間是離散的、時(shí)間是離散的、狀態(tài)取值是離散的、演化的運(yùn)算規(guī)則是局域的(一般情形）。在凝固模擬過程中, 它基于形核的物理機(jī)理和晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)理論,用隨機(jī)性原理處理晶核分布和結(jié)晶方向, 從而模擬凝固過程的微觀組織。CA方法將整個(gè)凝固區(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格, 采用其節(jié)點(diǎn)標(biāo)示不同網(wǎng)格區(qū)域的狀態(tài), 然后按照該局域的凝固條件確定適當(dāng)?shù)难莼?guī)則進(jìn)行狀態(tài)演化, 從而可以定量的描述晶粒形核長(zhǎng)大的過程。

CA 方法的優(yōu)點(diǎn)是: 具有一定的物理基礎(chǔ); 模擬出來(lái)的微觀組織不依賴于計(jì)算過程中的單元網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu);計(jì)算速度遠(yuǎn)高于相場(chǎng)法; 計(jì)算的區(qū)域可以比較大 ( 達(dá)到宏觀增材打印結(jié)構(gòu)尺寸一級(jí)) 。這些優(yōu)點(diǎn)使得它很適合于描述自由枝晶、柱狀枝晶的形成以及柱狀晶與等軸晶之間的轉(zhuǎn)化、凝固與結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大與再結(jié)晶、相沉淀與相分解、位錯(cuò)花樣的形成等過程。以晶粒生長(zhǎng)為例，元胞自動(dòng)機(jī)的模擬過程主要有確定形核、選擇時(shí)間步長(zhǎng)、計(jì)算溫度場(chǎng)、計(jì)算溶質(zhì)場(chǎng)、計(jì)算界面元胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、確定胞狀態(tài)、捕捉鄰胞、計(jì)算曲率等過程組成。

CA 方法在凝固微觀組織模擬中的應(yīng)用, 還迫切需要完善具有堅(jiān)實(shí)物理基礎(chǔ)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)規(guī)則和包含流場(chǎng)模型在應(yīng)用面上的拓展。

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元胞自動(dòng)機(jī)法在晶粒生長(zhǎng)演化過程中的運(yùn)用

• ?PF vs CA方法對(duì)比

相場(chǎng)法與元胞自動(dòng)機(jī)法的對(duì)比比較如表1所示：

相場(chǎng)法與元胞自動(dòng)機(jī)法對(duì)比

• 微觀尺度分析的價(jià)值和商業(yè)化軟件

基于溫度梯度和凝固速率，包括熔池尺度結(jié)果，微觀尺度仿真分析可以預(yù)測(cè)熔池尺寸,不完全融化，孔隙預(yù)測(cè)，材料相態(tài)輸出，球化預(yù)測(cè)，微觀金相結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)?？梢垣@取顆粒尺寸，朝向，枝晶生長(zhǎng)方向，一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)，初始位錯(cuò)密度。其對(duì)增材制造的工藝價(jià)值和意義巨大，主要表現(xiàn)在：

• ·深入研究增材制造過程微觀機(jī)理。
• ·探索機(jī)器、材料、幾何和工藝參數(shù)如何影響溫度歷史、殘余應(yīng)力應(yīng)變、內(nèi)部缺陷、熔池特性、金相結(jié)構(gòu)等。
• ·幫助設(shè)計(jì)更好的設(shè)備，研究新材料，開發(fā)優(yōu)化的掃描策略和工藝參數(shù)包。

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激光功率和掃描速度的PV組合影響微觀金相組織

• ·大大加速新材料、新機(jī)器和新工藝參數(shù)包開發(fā)，常規(guī)設(shè)備開發(fā)中工藝測(cè)試需要進(jìn)行大量的線掃描，層掃描，體掃描，觀察和測(cè)試致密度、層搭接率、金相組織觀察和材料力學(xué)性能測(cè)試。
• ·為進(jìn)一步預(yù)測(cè)材料打印性能提供必要輸入。

目前ANSYS增材工藝仿真系列模塊中，Additive science模塊將提供微觀尺寸的仿真分析，下圖即是IN718微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)(顆粒尺寸和組織)的仿真和試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。

IN718微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)仿真和試驗(yàn)對(duì)比

微觀尺度仿真分析預(yù)測(cè)了單向掃描摹式下的顆粒尺寸、形態(tài)和組織，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，這些信息可以用于后續(xù)預(yù)測(cè)各向異性力學(xué)性能參數(shù)。

金屬SLM增材工藝宏觀、介觀、微觀尺度仿真分析的整體關(guān)系

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金屬SLM增材工藝宏觀、介觀、微觀尺度仿真分析的整體關(guān)系如下圖所示：

金屬SLM增材工藝宏觀、介觀、微觀尺度仿真分析的整體關(guān)系圖

增材工藝仿真的趨勢(shì)和發(fā)展方向

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增材工藝仿真目前比較關(guān)注的仿真應(yīng)用還包括下面專題：

• ·后處理如熱等靜壓、熱處理對(duì)宏觀變形和消除殘余應(yīng)力影響的分析，微觀如致密度提升及金相組織改善微觀模擬。甚至包括后續(xù)機(jī)加工藝過程模擬，模擬流內(nèi)表面光滑模擬等。
• ·宏觀模擬仿真中的支撐處理和等效模擬，包括體支撐，Cone支撐和Block面片支撐，后續(xù)更豐富的支撐也會(huì)在宏觀工藝過程模擬中考慮。
• ·微觀金相組織模擬結(jié)果，將直接支撐后續(xù)的材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)和評(píng)估，這部分更多地采用系統(tǒng)公式銜接金相結(jié)果和性能數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)中。

?增材工藝仿真的趨勢(shì)和發(fā)展方向，筆者認(rèn)為呈現(xiàn)這幾個(gè)方向：

• ·宏觀尺度的增材工藝仿真模擬將越發(fā)普及和工程化應(yīng)用，不僅僅是工藝設(shè)計(jì)和制造部門，增材設(shè)計(jì)也逐步引入工藝仿真，以保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可打印性；
• ·材料—設(shè)備---被打印件---支撐設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)----工藝參數(shù)包----宏觀特性----微觀特性---后處理---性能預(yù)測(cè)，整個(gè)過程將被流程化和平臺(tái)化；
• ·介觀分析和微觀分析將逐步從研究和科研階段開始邁入工程化使用；
• ·基于物理過程模擬驅(qū)動(dòng)的支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件將得到面世；
• ·AI算法和多尺度算法將驅(qū)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)和增材工藝仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)線下預(yù)測(cè)模型；
• ·更多的金屬材料數(shù)據(jù)將被測(cè)試并錄入、更多地金屬增材工藝方法將得到仿真和應(yīng)用。

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(guó)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(guó)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。