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

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談到變革材料，根據(jù)3D科學谷的市場觀察，在過去的五年里，對于金屬打印過程中微觀結構的理解和新合金的加工性能已經(jīng)獲得了不少的進步。同時還觀察到微觀結構的非均質(zhì)性，在這方面通過表征工作（柱狀晶、高取向、孔隙度等）獲取對加工冶金學的進一步理解，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。加工參數(shù)的設置、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了不同的冶金結果。

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通常來說加工越快，表面粗糙度越高，這是兩個此起彼長的相關變量。另外，殘余應力是DED以及SLM加工技術所面臨的共同話題，殘余應力將影響后處理和機械性能參數(shù)。不過，根據(jù)3D科學谷的市場研究，根據(jù)對冶金方面的駕馭能力，殘余應力也可以用來幫助促進再結晶和細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，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聯(lián)合喬治亞理工大學和美國俄勒岡州立大學的阿姆斯國家實驗室的科學家們通過改變加工參數(shù)和過程控制來提高零件的力學性能。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果（3倍的強度）。

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一步了解材料微區(qū)的結構和性能、微區(qū)再結晶、Kirkendall空穴、成形過程內(nèi)應力演化行為規(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。

下面，我們來詳細了解微觀尺度的組織模擬如何助力金屬3D打印實現(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構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。受金屬增材制造復雜過程的影響，晶體的仿真分析也具有相當?shù)碾y度。

通過宏觀分析或介觀分析得到的溫度場或相變結果數(shù)據(jù)后，可進一步計算得到熱梯度、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時都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對三維形貌模擬，有一定的困難；相場方法是以金茲堡-朗道理論為基礎，用微分方程體現(xiàn)擴散、有序化勢和熱力學驅動的綜合作用，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，相場法和元胞自動機法是微觀組織模擬仿真常用的兩種數(shù)值模擬方法。

• ?PF相場法

相場法的關鍵是引入序參量場F和彌散型界面，使界面位置隨空間和時間的變化隱含在相場變量隨時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的時間關聯(lián)的相場動力學方程而獲得。相場法的優(yōu)點主要是無需跟蹤界面、易于處理復雜的生長行為（如各向異性等）、與熱力學直接相關，可耦合真實熱力學、動力學數(shù)據(jù)庫、易于與一些物理機制關聯(lián)（如外場）。缺點主要在于計算量巨大、速度慢效率低、需構造自由能函數(shù)（有時很復雜）、界面不真實、、一些物理參數(shù)獲取較困難、數(shù)學處理復雜，同時可模擬的尺度較?。ㄗ畲罂蛇_幾十個微米），計算區(qū)域小。

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三維相場法計算微觀金相組織

• ?CA元胞自動機法

元胞自動機法的特點主要是空間是離散的、時間是離散的、狀態(tài)取值是離散的、演化的運算規(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理和晶體生長動力學理論,用隨機性原理處理晶核分布和結晶方向, 從而模擬凝固過程的微觀組織。CA方法將整個凝固區(qū)域劃分為不同的網(wǎng)格, 采用其節(jié)點標示不同網(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?shù)难莼?guī)則進行狀態(tài)演化, 從而可以定量的描述晶粒形核長大的過程。

CA 方法的優(yōu)點是: 具有一定的物理基礎; 模擬出來的微觀組織不依賴于計算過程中的單元網(wǎng)格劃分結構;計算速度遠高于相場法; 計算的區(qū)域可以比較大 ( 達到宏觀增材打印結構尺寸一級) 。這些優(yōu)點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化、凝固與結晶、晶粒長大與再結晶、相沉淀與相分解、位錯花樣的形成等過程。以晶粒生長為例，元胞自動機的模擬過程主要有確定形核、選擇時間步長、計算溫度場、計算溶質(zhì)場、計算界面元胞的生長動力學、確定胞狀態(tài)、捕捉鄰胞、計算曲率等過程組成。

CA 方法在凝固微觀組織模擬中的應用, 還迫切需要完善具有堅實物理基礎的生長動力學規(guī)則和包含流場模型在應用面上的拓展。

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元胞自動機法在晶粒生長演化過程中的運用

• ?PF vs CA方法對比

相場法與元胞自動機法的對比比較如表1所示：

相場法與元胞自動機法對比

• 微觀尺度分析的價值和商業(yè)化軟件

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

• ·深入研究增材制造過程微觀機理。
• ·探索機器、材料、幾何和工藝參數(shù)如何影響溫度歷史、殘余應力應變、內(nèi)部缺陷、熔池特性、金相結構等。
• ·幫助設計更好的設備，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、新機器和新工藝參數(shù)包開發(fā)，常規(guī)設備開發(fā)中工藝測試需要進行大量的線掃描，層掃描，體掃描，觀察和測試致密度、層搭接率、金相組織觀察和材料力學性能測試。
• ·為進一步預測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微觀結構預測(顆粒尺寸和組織)的仿真和試驗對比結果。

IN718微觀結構預測仿真和試驗對比

微觀尺度仿真分析預測了單向掃描摹式下的顆粒尺寸、形態(tài)和組織，模擬結果與實驗結果吻合良好，這些信息可以用于后續(xù)預測各向異性力學性能參數(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系圖

增材工藝仿真的趨勢和發(fā)展方向

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增材工藝仿真目前比較關注的仿真應用還包括下面專題：

• ·后處理如熱等靜壓、熱處理對宏觀變形和消除殘余應力影響的分析，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)更豐富的支撐也會在宏觀工藝過程模擬中考慮。
• ·微觀金相組織模擬結果，將直接支撐后續(xù)的材料力學性能預測和評估，這部分更多地采用系統(tǒng)公式銜接金相結果和性能數(shù)據(jù)預測中。

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

• ·宏觀尺度的增材工藝仿真模擬將越發(fā)普及和工程化應用，不僅僅是工藝設計和制造部門，增材設計也逐步引入工藝仿真，以保證設計產(chǎn)品的可打印性；
• ·材料—設備---被打印件---支撐設計和工藝設計----工藝參數(shù)包----宏觀特性----微觀特性---后處理---性能預測，整個過程將被流程化和平臺化；
• ·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動的支撐設計優(yōu)化軟件將得到面世；
• ·AI算法和多尺度算法將驅動測試數(shù)據(jù)和增材工藝仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)線下預測模型；
• ·更多的金屬材料數(shù)據(jù)將被測試并錄入、更多地金屬增材工藝方法將得到仿真和應用。

關于安世亞太

安世亞太具有23年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領域的領先者、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、虛擬仿真及先進設計領域處于領先地位，提出了基于增材思維的先進設計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設計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進行資源整合、技術轉化和生態(tài)構建。