美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的金屬增材制造加速認(rèn)證總監(jiān)Wayne King曾經(jīng)在GE打造的Industry in 3D系列訪談節(jié)目中，談到金屬增材制造工藝如果僅僅依靠人類的經(jīng)驗來進(jìn)行加工質(zhì)量提升，那么這個過程是充滿痛苦和煎熬的。這種基于人的經(jīng)驗加工技術(shù)將要被基于科學(xué)的加工技術(shù)所替代。那么這種基于人的經(jīng)驗的加工技術(shù)將如何被基于科學(xué)的加工技術(shù)所替代呢？

屬3D打印重新定義熱交換器的制造，來源雷尼紹

金屬增材制造的挑戰(zhàn)

    金屬增材制造的過程是十分復(fù)雜的過程，要成功打印出一個合格的零部件受到來自材料、打印機(jī)器設(shè)備、工藝設(shè)計、工藝參數(shù)和設(shè)置以及包括后處理等諸多因素的影響。就工藝本身來說，粉末在熔化過程中，每個激光點創(chuàng)建了一個微型熔池，從粉末熔化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。同時金屬粉體粒度、球形度、松裝密度、流動性、含氧量、組分等對零件的成形質(zhì)量的影響也較大。

     為了熔化粉末，必須有充足的激光能量轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。在激光光斑移動后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導(dǎo)的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。

通常這些部分燒結(jié)的顆粒被熔化金屬吸附，并成為牢固地附著在組件表面的顆粒，由于層層鋪粉，在下一層的激光融化處理過程中，仍會有一些熱量傳導(dǎo)到下面的層，從而將燒結(jié)不完全的顆粒又可能發(fā)生重新熔化。這種漸進(jìn)的熔化和冷卻的層相互發(fā)生作用，且內(nèi)部存在著強烈的物理、化學(xué)變化、復(fù)雜的成形冶金機(jī)理，使得完全從原理層面去掌握金屬增材制造工藝非常困難。

視頻：金屬粉末熔化過程中的熱傳導(dǎo)

      對于一個實際金屬打印件，如果完全憑借經(jīng)驗或者直觀感覺，進(jìn)行打印的成功率較低，通常采用試錯方法，既浪費了成本，又大大增加了產(chǎn)品成功打印的制造周期。

圖1：影響金屬3D打印結(jié)果的因素，來源：安世亞太

    質(zhì)量保證是金屬打印至關(guān)重要的要素，金屬增材制造可能出現(xiàn)所打印的零部件變形、開裂的問題。同一個部件，在加工參數(shù)、層數(shù)、材料相同的條件下，構(gòu)建過程中采取不同的取向和位置，所帶來的微觀組織和屬性也是不同的。基本上，垂直方向柱狀晶的殘余應(yīng)力水平低，水平方向馬氏體相殘余應(yīng)力水平高。

如此多的因素會影響到金屬3D打印的結(jié)果，這就帶來了仿真的重要性。

     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)型等因素對于宏觀變形、殘余應(yīng)力，部件微觀內(nèi)部金相組織及性能的影響。

控形與控性，是金屬增材工藝中兩個重要考察指標(biāo)。產(chǎn)品打印過程中，也必須關(guān)注宏觀控形，包括翹曲變形、部件開裂、刮板碰撞或支撐開裂等問題，微觀控性中，需要關(guān)注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結(jié)構(gòu)和初始位錯密度等微觀特性，表征到打印件后續(xù)質(zhì)量即為金屬件力學(xué)性能和特性。

金屬增材工藝仿真的價值

     基于機(jī)器和粉末的標(biāo)定試驗，獲取宏觀的變形修正參數(shù)和微觀的單道掃描信息和參數(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計初期或者增材制造工藝制定期間，利用CAE仿真分析技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字仿真以提前獲取產(chǎn)品打印的性能特性，是解決金屬增材工藝質(zhì)量問題的一個重要手段和方法。

通過提前預(yù)測并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化，使得物理的樣品打印減少失敗概率，同時較大程度地減少打印成本，不合格產(chǎn)品的數(shù)量和試錯次數(shù)也大為降低。同時增材金屬打印件便于制造的設(shè)計方式和設(shè)計修正可以大大增強，增材工藝設(shè)計流程和經(jīng)驗可以累積和固化，機(jī)器的利用率和產(chǎn)品打印的周期得到提高，產(chǎn)品打印的可重新性和質(zhì)量能夠得到保證。

在發(fā)展方面，如果微觀金相組織和特性預(yù)測也能夠通過CAE仿真實現(xiàn)，仿真將大大加快新材料、新機(jī)器、新工藝參數(shù)包的開發(fā)，減少研發(fā)成本和周期，同時個性化微觀結(jié)構(gòu)和獲取期望的材料屬性將成為可能。CAE仿真對于金屬增材打印的價值匯總?cè)缦聢D2：

圖2: 金屬增材工藝CAE仿真的價值，來源：安世亞太

金屬增材工藝仿真的難點

雖然增材工藝仿真的價值比較巨大，但要實現(xiàn)起來困難較多，難度較大。主要的難點包括以下幾個方面：

- 空間離散規(guī)模龐大、時間離散步長數(shù)龐大，計算時間如何去滿足工程需求。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件從光斑尺寸到空間上宏觀尺寸的分布，網(wǎng)格化離散的規(guī)模巨大。同時打印時間較長，大件以天計算，而仿真在熱-固耦合的尺度上時間步長甚至需要在微秒乃至更小的一個量級上離散。如何實現(xiàn)打印工藝過程的模擬，以現(xiàn)有的計算硬件資源，難度非常大。

- 宏觀與微觀，多尺度問題

熔池內(nèi)部無論是物理現(xiàn)象還是研究對象尺度，都是微觀層面。但是打印的對象尺寸以米為宏觀對象，在其中之間無論是否考慮介觀尺度，如何將眾多與常規(guī)尺度條件下迥然不同的微觀尺度現(xiàn)象與宏觀現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)一，如何將增材制造熔池內(nèi)快速冷卻凝固的非平衡態(tài)熔池動力學(xué)造成的材料微觀理論和打印件宏觀規(guī)律結(jié)合起來，則需要從多尺度的角度入手進(jìn)行分析。

圖3：金屬增材工藝多尺度現(xiàn)象, 來源：安世亞太

- 物理過程機(jī)理復(fù)雜

僅僅考慮熔池內(nèi)的物理現(xiàn)象，金屬3D打印過程已經(jīng)非常復(fù)雜，其中包含浸潤、毛細(xì)、表面張力、馬蘭格尼對流、熔池動力學(xué)、相變等非常復(fù)雜的物理過程，其物理變化的準(zhǔn)確機(jī)理和演變規(guī)律在真實工程中需要實驗驗證和總結(jié)，很難是物理控制方程就完全預(yù)測和歸納。

根據(jù)3D科學(xué)谷，美國國家技術(shù)研究所（NIST）的研究人員在2014年聲稱在金屬3D打印工藝的粉末熔融過程中有50多種不同的因素在發(fā)揮著作用，研究人員認(rèn)為像尺寸和形狀誤差、熔融層中的空隙、最終部件的高殘余應(yīng)力，以及對材料性能——包括硬度和強度等各種變量相互關(guān)系的研究不足導(dǎo)致了3D打印工藝難以量化控制。金屬粉末的熔化導(dǎo)致不當(dāng)?shù)娜毕?，這造成了熔池內(nèi)的缺陷稱為孔隙和裂縫。

圖4：熔池內(nèi)物理機(jī)理現(xiàn)象, 來源：安世亞太

- 涉及環(huán)節(jié)較多

  增材金屬制造不僅僅是涉及到金屬粉末的質(zhì)量和特性，還包括增材設(shè)計是否適合打印，機(jī)器設(shè)備，打印工藝設(shè)計和打印參數(shù)包設(shè)置甚至后處理也會使得打印質(zhì)量有較大變化。金屬增材制造涉及的環(huán)節(jié)較多。

- 不確定性和誤差來源較多

由于環(huán)節(jié)長，涉及的因素方方面面，因而不確定性和誤差來源也較多。

挑戰(zhàn)還包括正確的收集數(shù)據(jù)的技術(shù)和分析能力，唯有進(jìn)一步研究熔池實時監(jiān)測并獲取熔池實時數(shù)據(jù)，包括腔室內(nèi)的溫度傳感器獲取溫度，通過對適時收集數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析和回歸研究，方可研究影響金屬增材工藝宏觀控形微觀控性的詳細(xì)影響因素，進(jìn)而為工藝仿真分析模型的建立和修正提供最直接的手段和方式。但目前監(jiān)測設(shè)備、手段和完整體系方法還有欠缺。

那么基于以上所述的金屬增材制造的挑戰(zhàn)與仿真解決方案的價值與難點，金屬增材SLM工藝仿真的解決方案和思路是什么呢？敬請關(guān)注后續(xù)谷.專欄的SLM工藝仿真綜述（二）之《金屬增材制造仿真的解決方案與思路》