面向增材制造控形與控性的多尺度力學(xué)設(shè)計&系列免費講座

來源：安世亞太

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(shè)計-材料-工藝-設(shè)備-檢測-標(biāo)準(zhǔn)全方位的技術(shù)群，而先進設(shè)計是增材制造發(fā)揮作用的源頭。

不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，增材制造對產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)提出了更高的需求：

• 控形與控性多尺度力學(xué)設(shè)計與仿真技術(shù)
• 拓撲優(yōu)化設(shè)計與仿真技術(shù)
• 創(chuàng)成式設(shè)計與仿真技術(shù)
• 輕量化設(shè)計與仿真技術(shù)
• 組元晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真技術(shù)
• 跨學(xué)科多功能融合設(shè)計與仿真技術(shù)
• 梯度材料結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)
  

可以說，設(shè)計是增材制造技術(shù)應(yīng)用的源頭，而力學(xué)設(shè)計是增材設(shè)計技術(shù)的核心！由于涉及的內(nèi)容較多，很難用一篇文章來詮釋所有的內(nèi)容。本篇主要概述安世亞太基于控形與控性的多尺度設(shè)計與仿真技術(shù)在增材制造的領(lǐng)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(biāo)。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(jié)構(gòu)和初始位錯密度，如圖1所示。

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(shè)備-結(jié)構(gòu)設(shè)計-打印工藝一體化調(diào)控與優(yōu)化，這里面就涉及到微觀-細觀-宏觀多尺度的力學(xué)分析。

多尺度力學(xué)設(shè)計
本文涉及到的多尺度力學(xué)設(shè)計主要在微觀-細觀-宏觀多個尺度層面上進行對微觀結(jié)構(gòu)-細觀結(jié)構(gòu)-宏觀結(jié)構(gòu)進行研究分析。其實多尺度力學(xué)設(shè)計的核心：多物理過程耦合和多尺度關(guān)聯(lián)。

圖 2  多尺度力學(xué)設(shè)計

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(xué)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(jié)構(gòu)力學(xué)性能、多孔泡沫金屬力學(xué)性能、晶格結(jié)構(gòu)熱力學(xué)性能以及特殊的負泊松比結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究上；在宏觀層面上研究主要集中在產(chǎn)品的宏觀力學(xué)性能預(yù)測、拓撲優(yōu)化設(shè)計、輕量化設(shè)計等等。如圖2所示。多尺度力學(xué)設(shè)計的研究自下而上主要研究零件或產(chǎn)品的成形機制，預(yù)測產(chǎn)品的力學(xué)性能；自上而下則可以對打印工藝進行優(yōu)化與打印設(shè)備優(yōu)化。

粉末顆粒的微觀力學(xué)設(shè)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(chǎn)品的成形質(zhì)量。比如在旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝中，電極轉(zhuǎn)速、等離子體電弧功率等會對粉末成形粒度分布產(chǎn)生很大影響，進而會影響到后期撒粉、鋪粉以及熔池的形成。

圖 3 金屬粉末成形-撒粉-鋪粉的力學(xué)設(shè)計

金屬粉末對SLM打印工藝打印成形件最終質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。粉末性能的評價指標(biāo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)電極制粉不同制粉工藝參數(shù)對粉末成形質(zhì)量的影響。如圖4和圖5所示。

圖4 氣霧化制粉工藝仿真結(jié)果  圖5 旋轉(zhuǎn)電極制粉工藝仿真結(jié)果

成形后獲得的金屬粉末需要經(jīng)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(nèi)壁及金屬粉末顆粒之間相互作用的運動。當(dāng)顆粒密度較低時，不用考慮顆粒間的相互作用，當(dāng)顆粒較多時，需要考慮顆粒間的碰撞作用，當(dāng)顆粒非常稠密時，顆粒間的摩擦力是流體的主導(dǎo)作用力。

圖6 金屬粉末撒粉過程

控性：熔池
影響SLM成形質(zhì)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(shè)備的預(yù)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(zhì)、氣-液界面冶金反應(yīng)以及固-液界面擴散等復(fù)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。

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(jié)構(gòu)的細觀力學(xué)設(shè)計

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

晶格結(jié)構(gòu)也稱為點陣結(jié)構(gòu)（Lattice Structure），是某種結(jié)構(gòu)的單胞在空間按照一定的規(guī)律組合成的結(jié)構(gòu)，能夠承載一定的受力并實現(xiàn)某種特定的功能。晶格結(jié)構(gòu)具有質(zhì)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(xué)性能，當(dāng)前是3D打印的一個重要研究領(lǐng)域。

晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)計包括晶格單元幾何形狀的設(shè)計和晶格結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計。晶格單元是組成晶格結(jié)構(gòu)的最小單元，晶格單元的設(shè)計方法主要有實體幾何構(gòu)造法、隱式曲面法和拓撲優(yōu)化法。

圖 9 晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與填充率的關(guān)系

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(yīng)的晶格單元性能數(shù)據(jù)庫才能滿足晶格結(jié)構(gòu)的性能要求。

結(jié)合安世亞太在仿真設(shè)計和增材制造領(lǐng)域多年的積淀，利用參數(shù)化建模仿真系統(tǒng)設(shè)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(yīng)用場合來挑選合適的晶格單元和相應(yīng)的晶格單元設(shè)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(shè)計。見圖9和圖10所示。

部件系統(tǒng)級的宏觀力學(xué)設(shè)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(shè)備上、增材打印工藝、以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計這三個方面去調(diào)控與優(yōu)化。

增材設(shè)備的宏觀力學(xué)設(shè)計
增材設(shè)備性能的好壞直接影響到打印產(chǎn)品的性能，比如若增材設(shè)備的成型腔室剛度不足，就會造成打印的產(chǎn)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(nèi)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(nèi)部形成缺陷，影響打印件質(zhì)量。

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

• 整機設(shè)備強度分析及優(yōu)化
• 整機設(shè)備剛度分析及優(yōu)化
• 關(guān)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(nèi)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(jié)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
  

圖11 某SLM增材設(shè)備的整機散熱分析結(jié)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(gòu)型等因素對于變形、殘余應(yīng)力、部件內(nèi)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(yù)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(jié)構(gòu)形狀、擺放位置和打印支撐結(jié)構(gòu)來減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力及變形等問題。基于增材ANSYS Additive工藝仿真軟件的分析流程如圖12所示。

圖 12  增材工藝仿真流程

對于變形難以控制的結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(biāo)定固有應(yīng)變因子。


產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計
產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計等方法設(shè)計的產(chǎn)品無法制造出來。在增材制造領(lǐng)域，拓撲優(yōu)化和創(chuàng)成式設(shè)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(shè)計等設(shè)計的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)制造出來。

圖13所示為安世亞太設(shè)計并采用公司DLM-280（SLM打印工藝）設(shè)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(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shè)計過程中采用了無支撐設(shè)計，大大降低了產(chǎn)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。

圖 13  5G通訊小基站散熱器

圖14 基于增材思維設(shè)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(shè)計流程設(shè)計并采用激光選區(qū)燒結(jié)設(shè)備生產(chǎn)的個性化定制TPU鞋中底及最終成鞋。經(jīng)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。


面向增材的控形控性設(shè)計仿真系列免費講座
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