增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗稱3D打印，是通過材料逐層累積的方法來制造實體零件。增材制造不只是一種制備工藝，而是一個包括設計-材料-工藝-設備-檢測-標準全方位的技術群，而先進設計是增材制造發(fā)揮作用的源頭。

?不同于傳統(tǒng)的設計方法，增材制造對產品設計技術提出了更高的需求：

• -控形與控性多尺度力學設計與仿真技術

• -拓撲優(yōu)化設計與仿真技術

• -創(chuàng)成式設計與仿真技術

• -輕量化設計與仿真技術

• -組元晶格結構設計與仿真技術

• -跨學科多功能融合設計與仿真技術

• -梯度材料結構設計技術

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可以說，設計是增材制造技術應用的源頭，而力學設計是增材設計技術的核心！由于涉及的內容較多，很難用一篇文章來詮釋所有的內容。本篇主要概述安世亞太基于控形與控性的多尺度設計與仿真技術在增材制造的領域所做的一些探索與研究成果。

在增材制造過程中，控形與控性是增材制造中兩個重要考察指標。通常說宏觀控形和微觀控性。而宏觀控形需要重點考慮翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞、支撐開裂及飛濺等；微觀控性需要重點分析球化、孔隙率、相變、顆粒尺寸、晶粒結構和初始位錯密度，如圖1所示。

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圖 1 增材制造控形與控性

而真正要實現(xiàn)增材制造在打印過程中的控形與控性，需要材料性能-打印設備-結構設計-打印工藝一體化調控與優(yōu)化，這里面就涉及到微觀-細觀-宏觀多尺度的力學分析。

多尺度力學設計

本文涉及到的多尺度力學設計主要在微觀-細觀-宏觀多個尺度層面上進行對微觀結構-細觀結構-宏觀結構進行研究分析。其實多尺度力學設計的核心：多物理過程耦合和多尺度關聯(lián)。

增材制造過程，尤其是SLM打印工藝，在微觀層面研究主要集中在粉末的成形、粉末的流動、熔池動力學及微觀組織分析等方面；在細觀層面研究主要集中在晶格結構力學性能、多孔泡沫金屬力學性能、晶格結構熱力學性能以及特殊的負泊松比結構力學的研究上；在宏觀層面上研究主要集中在產品的宏觀力學性能預測、拓撲優(yōu)化設計、輕量化設計等等。如圖2所示。多尺度力學設計的研究自下而上主要研究零件或產品的成形機制，預測產品的力學性能；自上而下則可以對打印工藝進行優(yōu)化與打印設備優(yōu)化。

粉末顆粒的微觀力學設計

·控性：粉末篇

在針對SLM打印工藝中，為了實現(xiàn)增材打印過程控性，安世亞太在金屬粉末成形-撒粉-鋪粉整個流程中都進行了深入地探索和研究，如下圖3所示。

在這個粉末的全流程中，任何工藝參數(shù)的改變都會影響到最終產品的成形質量。比如在旋轉電極制粉工藝中，電極轉速、等離子體電弧功率等會對粉末成形粒度分布產生很大影響，進而會影響到后期撒粉、鋪粉以及熔池的形成。

金屬粉末對SLM打印工藝打印成形件最終質量有著至關重要的影響。粉末性能的評價指標主要包括：粉末粒度分布、氧含量、松裝密度、粉末流動性和粉末形貌等。

金屬粉末的成形方式有很多，目前比較成熟的用于增材制造的金屬粉末制備工藝主要有兩種：氣霧化法（Vacuum Induction-melting Gas Atomization：VIGA）和等離子旋轉電極法(Plasma Rotating Electrode-comminuting Process：PREP）。這兩種制粉工藝的特點如表1所示。

表1? 氣霧化制粉和等離子旋轉電極法制粉特點對比表

基于此，安世亞太也針對這兩種金屬粉末制粉工藝進行了CAE仿真分析，研究了制粉機理，分析了氣霧化制粉和旋轉電極制粉不同制粉工藝參數(shù)對粉末成形質量的影響。如圖4和圖5所示。

圖4 氣霧化制粉工藝仿真結果??????????????????????????????????????????????????? 圖5 旋轉電極制粉工藝仿真結果

成形后獲得的金屬粉末需要經過給粉器-分粉器-鋪粉器最終到達成形平臺，粉末在這一過程中的運動涉及流體（氣體）、粉末通道內壁及金屬粉末顆粒之間相互作用的運動。當顆粒密度較低時，不用考慮顆粒間的相互作用，當顆粒較多時，需要考慮顆粒間的碰撞作用，當顆粒非常稠密時，顆粒間的摩擦力是流體的主導作用力。

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圖6 金屬粉末撒粉過程

·控性：熔池

影響SLM成形質量的因素有很多，主要可以分為歸納為三類：環(huán)境因素、工藝因素和粉末因素。其中環(huán)境因素主要包括打印設備的預熱溫度、保護氣體類型，循環(huán)氣流量等，工藝因素主要包括激光功率、激光掃描速度、激光掃描路徑、鋪粉層厚、光斑直徑等等，粉末因素主要包括粉末的粒度分布、形貌、氧含量等。

熔池存在傳熱、對流、傳質、氣-液界面冶金反應以及固-液界面擴散等復雜的動態(tài)多物理場過程。對熔池的研究需要考慮激光的吸收與散射、粉末的熔化、表面張力、合金元素揮發(fā)、汽化、對流、輻射、熔池的熔化與凝固、高頻次熱循環(huán)下的固態(tài)相變等。安世亞太對熔池的形成過程、以及不同打印工藝參數(shù)變化對熔池的影響進行了深入地研究和探索，如圖7和8所示。

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圖 7 熔池的微觀物理過程示意????????????????????????????????????????????????????????? ?圖8 熔池的不同時刻的形態(tài)變化

晶格結構的細觀力學設計

細觀尺度是介于微觀尺度與宏觀尺度之間，細觀力學主要研究的是材料在空間上的分布對結構力學性能的影響。其目的是將實際不均勻材料用等效均勻介質來代替，獲得與之等效的力學性能常數(shù)。

晶格結構也稱為點陣結構（Lattice Structure），是某種結構的單胞在空間按照一定的規(guī)律組合成的結構，能夠承載一定的受力并實現(xiàn)某種特定的功能。晶格結構具有質量輕、比強度高、比剛度高、抗沖擊、高散熱隔熱以及電磁屏蔽等優(yōu)越的力學性能，當前是3D打印的一個重要研究領域。

晶格結構是由相同或者不同幾何形狀的晶格單元按照一定的規(guī)則組合而成的，所以晶格結構的設計包括晶格單元幾何形狀的設計和晶格結構的組合設計。晶格單元是組成晶格結構的最小單元，晶格單元的設計方法主要有實體幾何構造法、隱式曲面法和拓撲優(yōu)化法。

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圖 9 晶格結構的力學性能與填充率的關系

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圖 10 晶格單元性能數(shù)據(jù)庫晶格種類

不同的晶格單元有著不同的特性，對晶格單元的特性進行研究并建立相應的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫才能滿足晶格結構的性能要求。

結合安世亞太在仿真設計和增材制造領域多年的積淀，利用參數(shù)化建模仿真系統(tǒng)設計并建立了多種增材制造晶格單元的性能數(shù)據(jù)庫，方便我們根據(jù)不同的應用場合來挑選合適的晶格單元和相應的晶格單元設計參數(shù)，并且可以根據(jù)不同晶格的性能特點進行優(yōu)化組合，采用多種晶格進行拼接設計。見圖9和圖10所示。

部件系統(tǒng)級的宏觀力學設計

在宏觀尺度上也就是部件系統(tǒng)級上，要實現(xiàn)增材的控形與控性就要從增材打印設備上、增材打印工藝、以及產品結構設計這三個方面去調控與優(yōu)化。

·增材設備的宏觀力學設計

增材設備性能的好壞直接影響到打印產品的性能，比如若增材設備的成型腔室剛度不足，就會造成打印的產品在成型面上出現(xiàn)變形不一致的現(xiàn)象；如果成型腔室內氣流場不佳，在打印過程中有可能會出現(xiàn)煙氣顆粒無法順利排出，進而可能在打印件內部形成缺陷，影響打印件質量。

因此安世亞太針對公司的增材設備產品進行了各種工況下的仿真優(yōu)化分析，大大提升了設備產品的各項性能指標，為打印產品的控形與控性提供有力的設備支撐。針對公司開發(fā)的增材制造設備所進行的仿真優(yōu)化包括：

• -整機設備強度分析及優(yōu)化

• -整機設備剛度分析及優(yōu)化

• -關鍵部件疲勞分析及優(yōu)化

• -入口均勻性仿真分析及優(yōu)化

• -打印腔體內部氣流場、溫度場仿真分析及優(yōu)化

• -惰性氣體置換流程仿真分析及優(yōu)化

• -廢氣置換流程仿真分析及優(yōu)化

• -燒結煙氣排出過程仿真分析

• -打印平臺動密封仿真分析及優(yōu)化

• -整機散熱仿真分析及優(yōu)化

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圖11 某SLM增材設備的整機散熱分析結果（速度云圖和溫度云圖）

·增材打印工藝仿真

在增材制造過程中，可能會出現(xiàn)打印部件變形、翹曲、孔隙、微裂紋等問題。增材制造工藝參數(shù)仿真主要研究加工參數(shù)、粉末、幾何構型等因素對于變形、殘余應力、部件內部組織及性能的影響。

通過宏觀尺度上增材工藝仿真分析，可以預測部件在打印過程中可能出現(xiàn)的變形、翹曲等問題，合理優(yōu)化零件結構形狀、擺放位置和打印支撐結構來減小結構內部應力及變形等問題?；谠霾腁NSYS Additive工藝仿真軟件的分析流程如圖12所示。

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圖 12? 增材工藝仿真流程

對于變形難以控制的結構產品，可以采用ANSYS Additive仿真軟件工具的變形補償功能，來降低成形零件的失真度，前提是需要實驗標定固有應變因子。

·產品結構設計

產品結構設計的方法有很多，本篇無法一一詳細地講解，在此主要跟大家簡單地闡述一下基于增材思維的產品結構設計。

受限于傳統(tǒng)工藝的制造方法約束，很多通過拓撲優(yōu)化、創(chuàng)成式設計等方法設計的產品無法制造出來。在增材制造領域，拓撲優(yōu)化和創(chuàng)成式設計將會大行其道。增材制造這種工藝約束較少，基本上可以不受限制地將拓撲優(yōu)化和創(chuàng)成式設計等設計的產品結構制造出來。

圖13所示為安世亞太設計并采用公司DLM-280（SLM打印工藝）設備打印的一款用于5G通訊小基站的散熱器，該散熱器整體結構較為復雜，傳統(tǒng)工藝很難制造，因此我們主要考慮采用SLM增材工藝來制造，且在設計過程中采用了無支撐設計，大大降低了產品的后處理時間，也節(jié)約了打印成本。

和傳統(tǒng)的散熱器相比，在相同的邊界條件下該散熱器整體散熱性能提升了30%，在局部高溫區(qū)，散熱性能提升高達63%，解決了傳統(tǒng)散熱器整體散熱性能不強以及在局部溫度過高的問題。

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圖 13? 5G通訊小基站散熱器

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圖14 基于增材思維設計并制造的3D打印個性化定制鞋中底及最終成鞋

圖14所示為基于安世亞太鞋中底設計流程設計并采用激光選區(qū)燒結設備生產的個性化定制TPU鞋中底及最終成鞋。經一定范圍的客戶試穿，該鞋穿著舒適，彈性好，透氣性高，輕便耐用，客戶滿意度較高。

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關于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務經驗、6年的工業(yè)品先進設計和增材制造經驗，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。