掃描策略對增材制造工藝仿真的重要性

來源：安世亞太

安世亞太和中科煜宸針對增材制造工藝仿真中工藝掃描模擬的要求，聯(lián)合開發(fā)了可考慮掃描路徑的工藝仿真軟件AMProSim-DED。本期增材專欄文章，將以此為基礎對工藝掃描路徑對增材制造仿真精度的重要性進行研究對比。研究在增材制造工藝仿真過程中，不同掃描路徑對增材制造過程的溫度、應力及變形的影響。

掃描路徑模擬的重要性測試
為了研究模擬掃描路徑對增材制造工藝仿真的重要性，對一圓環(huán)件分別進行逐層堆積與逐圈堆積的增材制造工藝仿真，對比其打印過程中的溫度、變形及應力的分布。

▲圖1.變形分布

來源：安世亞太

打印結束后，逐層堆積與逐圈堆積兩種方案的工藝仿真，其最大變形相差約37%，最大應力相差17.5%，且逐圈堆積的變形及應力更小，而這與增材制造工藝分區(qū)掃描可以降低變形和應力的經(jīng)驗趨勢是一致的，說明考慮工藝路徑可以獲得更好的工藝仿真精度。

▲圖2.應力分布

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由此可見，在增材制造工藝仿真中，掃描路徑很關鍵，精細的路徑模擬可以極大提高仿真精度。而市場上的工藝仿真軟件無論采用固有應變算法，還是熱力耦合算法，大多數(shù)不考慮工藝掃描策略，而是逐層堆積，即使考慮工藝掃描策略，也過于簡單，或只能分區(qū)，或不能與工藝規(guī)劃數(shù)據(jù)提供接口， 無法真實模擬掃描路徑的影響。因此，需要進行考慮掃描策略的增材制造工藝仿真。

考慮掃描策略的增材制造工藝仿真
為了進行考慮掃描策略的增材制造工藝仿真，首先需要研究掃描策略的路徑及其數(shù)據(jù)格式。各個打印廠商采用不同的路徑規(guī)劃軟件，路徑規(guī)劃軟件形成的路徑文件格式各不相同，基本含有以下信息：切片厚度、熱源功率及其狀態(tài)、掃描速度、間距、路徑類型及其路徑點坐標、停留時間等信息，以便于用于打印機識別。

但路徑規(guī)劃軟件輸出的掃描路徑信息并不利于工藝仿真直接使用，因此需要進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需將原有數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為仿真可以讀取的路徑數(shù)據(jù)表，將描述掃描路徑熱源功率及其狀態(tài)、掃描速度、路徑坐標點及其停留時間。

▲圖3.路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換前后：蛇形掃描示例

來源：安世亞太

▲路徑規(guī)劃轉(zhuǎn)換前后：蛇形掃描示例

來源：安世亞太

最后，基于轉(zhuǎn)化后的掃描路徑，采用ANSYS單元生死技術依次激活成型材料來模擬增材制造過程隨時間變化的熱傳遞過程；并在瞬態(tài)熱分析的基礎上，通過熱應力耦合分析來進行變形以及應力的分析。

為了面向工程應用及普遍適用性，安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開發(fā)的考慮掃描路徑的專業(yè)增材制造工藝仿真軟件AMProSim-DED。AMProSim-DED可以考慮溫度相關的材料非線性屬性，基于工藝文件的運動路徑信息，模擬增材制造工藝的材料堆積過程，可以詳細模擬零件分區(qū)、打印路徑以及熔融冷卻的相變過程對增材制造過程的影響，預測增材制造過程中的溫度、應力和變形，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而保證3D打印質(zhì)量和打印效率，避免低效的試錯過程。

應用案例：圓環(huán)件增材制造工藝仿真分析
基于以上掃描路徑的轉(zhuǎn)化，對一圓環(huán)件進行不同掃描策略的研究：
模型：內(nèi)徑30mm，壁厚3mm，軸向高度15mm
材料：316L
工藝：激光功率1200W；掃描速度10mm/s；層厚0.3mm
        
掃描策略：
掃描策略1：環(huán)向掃描
掃描策略2：單向掃描
掃描策略3：單向掃描（首層57°，層間旋轉(zhuǎn)67°）

▲圖4.掃描策略

來源：安世亞太

                        
l 溫度場分析
基于三種不同的掃描策略，對圓筒件進行單道的增材制造工藝仿真的溫度分析，下圖為打印結束后的溫度分布，環(huán)形掃描的打印時間低于單向掃描。

▲圖5.打印結束后的溫度分布

來源：安世亞太

通過不同掃描策略對比結果，發(fā)現(xiàn)環(huán)形掃描優(yōu)于單向掃描策略。因此對一內(nèi)徑50mm、壁厚3mm軸向高度60mm的環(huán)形件采用環(huán)向掃描策略進行增材制造工藝的制造與仿真，提取相關數(shù)據(jù)：

實測數(shù)據(jù)：熔池溫度從第一層1300攝氏度開始逐漸增大，增長速度大約為10度/層（簡化為線性），約25層后，保持1550度不變。

仿真數(shù)據(jù)：筒壁中心的溫度從1290℃開始逐漸增大，前20層的最高溫度增長速度較快；之后增長較為緩慢，最終趨于穩(wěn)定，約為1576℃。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)對于仿真與實測的打印過程中的最高溫度及其演變趨勢相接近，誤差較小（可控制在5%），精度可以達到要求。

   

▲圖6.增材制造工藝仿真的溫度曲線

來源：安世亞太

l 應力分析
在熱分析的基礎上，通過熱應力耦合分析來進行變形以及應力的仿真分析，下圖為打印結束后的變形及應力分布云圖，由此可見：環(huán)向掃描的應力低于單向掃描；單向旋轉(zhuǎn)掃描略低于無旋轉(zhuǎn)掃描，這與根據(jù)經(jīng)驗得出的結論相符。

▲圖7.打印結束后的應力分布

來源：安世亞太

綜上，從仿真的角度，不同掃描策略對增材制造零件的溫度、變形、應力皆有影響，而對于圓環(huán)件，相對于單向掃描，環(huán)向掃描無疑是一種打印時間短、應力及變形皆小的掃描策略。


總結
針對增材制造工藝仿真中工藝掃描模擬的要求，安世亞太和中科煜宸聯(lián)合開發(fā)了可考慮掃描路徑的工藝仿真軟件AMProSim-DED，本文以此為基礎對工藝掃描路徑對增材制造仿真精度的重要性進行了研究對比，結果表明，考慮工藝掃描路徑后可以得到更為符合實際的計算結果，能夠真實反映不同掃描策略帶來的變形和應力差異，從而真正做到基于工藝仿真技術實現(xiàn)工藝策略的優(yōu)化設計。

—作者—

逯璐
大連理工大學材料工程專業(yè)碩士，擅長材料成型工藝仿真，曾參與國家863項目實施�，F(xiàn)為安世中德咨詢有限公司增材制造設計工程師，專業(yè)從事增材制造先進設計及工藝仿真服務。