案例展示金屬增材制造過(guò)程仿真分析(上篇）

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

隨著金屬增材制造技術(shù)的不斷深入應(yīng)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(diǎn)。利用仿真分析工具，開展金屬增材制造過(guò)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(guò)程仿真分析
宏觀尺度增材過(guò)程仿真分析，包括如何借助仿真分析工具，進(jìn)行構(gòu)件的快速擺放設(shè)計(jì)、支撐優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形補(bǔ)償，以及熱處理過(guò)程的仿真分析優(yōu)化。

-借助仿真分析實(shí)現(xiàn)構(gòu)件快速擺放
某汽車懸架系統(tǒng)控制臂，在實(shí)際成形前，基于ANSYS Additive Print增材仿真分析軟件進(jìn)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(jì)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(duì)比

對(duì)比三種擺放方式（如表1所示）的計(jì)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(shí)間、成本，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件，僅依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)很難快速確定最佳擺放方式，往往需要借助工藝試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，不僅給企業(yè)添加額外制造成本，而且大量延長(zhǎng)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(yīng)力分布、支撐添加量、成形時(shí)間等因素綜合對(duì)比，可以幫助工程師快速實(shí)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(duì)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(fèi)。因此，對(duì)于激光粉末床熔化成形工藝過(guò)程，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(cuò)試驗(yàn)，所以往往耗時(shí)、耗力、耗材�；�于增材仿真分析進(jìn)行支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以避免反復(fù)的工藝試驗(yàn)過(guò)程。

以某零件支撐設(shè)計(jì)為例，該零件由拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)而成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，薄壁、細(xì)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(duì)支撐設(shè)計(jì)要求較高，需要進(jìn)行合理優(yōu)化。因此，在最初支撐設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Additive Print仿真分析軟件預(yù)測(cè)構(gòu)件變形、應(yīng)力分布，基于預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的支撐再優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)較佳的支撐設(shè)計(jì)（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(shí)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(dú)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?fù)鋬?yōu)化軟件很難完全考慮制造約束，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果直接成形（或者其他類非面向增材設(shè)計(jì)零件）往往需要添加大量的工藝支撐，而且薄壁結(jié)構(gòu)、細(xì)小連接桿件等增加了成形風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行基于增材制造約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，懸垂面減少，成形時(shí)支撐添加量減少，薄壁特征、細(xì)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(guò)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行增材仿真分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，變形風(fēng)險(xiǎn)明顯降低（如圖4所示）。

圖4 某零件拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果再優(yōu)化設(shè)計(jì)

-變形補(bǔ)償提高成形精度
金屬增材制造構(gòu)件熱變形很難避免，通�？刂剖侄伟�括支撐約束、工藝參數(shù)優(yōu)化等。熱變形對(duì)于構(gòu)件成形質(zhì)量影響較大（對(duì)于精度要求超過(guò)工藝制造精度，必須依靠后處理機(jī)械加工來(lái)保證），對(duì)于某些對(duì)裝配要求較高的構(gòu)件，一定程度熱變形失真可能直接導(dǎo)致零件報(bào)廢。

圖5 某零件變形補(bǔ)償模型

借助仿真軟件分析，自動(dòng)輸出變形補(bǔ)償模型（如圖5所示），以變形補(bǔ)償模型做為實(shí)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(guò)程，可以得到較為細(xì)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(yīng)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(qiáng)低塑”特征，且部分合金材料在快速凝固過(guò)程中強(qiáng)化相來(lái)不及析出（第二相析出強(qiáng)化機(jī)制），因此成形后材料塑性或強(qiáng)度指標(biāo)需要通過(guò)熱處理進(jìn)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(xué)性能以及消除材料內(nèi)部缺陷。利用仿真分析工具，對(duì)增材制造熱處理進(jìn)行仿真分析，可以達(dá)到優(yōu)化熱處理工藝參數(shù)的目的。

圖6 870℃保溫2小時(shí)，熱處理結(jié)果

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

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