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- 发表时间：2019-06-28 16:43:12
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1、金属增材制造面临的挑战
虽然金属增材制造增长速度近些年可观，但无论是直接能量沉积还是粉末床融化金属增材制造工艺，本质上还存在几大类挑战：
●可支持打印的金属材料种类有限，急需开发更多的金属种类以满足工业界需求；
●打印速度和效率制约，不适合量产；
●打印成本过高，包括机器和粉末成本，也包括可能存在的打印失败产生的额外成本；
●需要繁琐冗长的打印后处理环节；
●被打印件质量的保证及工艺调试
其中，质量保证是金属打印至关重要的要素，金属增材制造可能出现部件变形、开裂的问题。同一个部件，在加工参数、层数、材料相同的条件下，不同的取向和位置，微观组织和属性不同。垂直方向柱状晶的残余应力水平低，水平方向马氏体相残余应力水平高。增材制造工艺参数仿真主要研究加工参数、粉末、几何构型等因素对于宏观变形、残余应力，部件微观内部金相组织及性能的影响。控形与控性，是金属增材工艺中两个重要考察指标。产品打印过程中，也必须关注宏观控形，包括翘曲变形、部件开裂、刮板碰撞或支撑开裂等问题，微观控性中，需要关注孔隙率、相变、球化、颗粒尺寸、一次和二次枝晶结构和初始位错密度等微观特性，表征到打印件后续质量即为金属件力学性能和特性。
然而金属增材制造的过程较为繁琐，要成功打印出一个合格的零部件受到来自材料、打印机器设备、工艺设计、工艺参数和设置以及包括后处理等诸多因素的影响，如图1所示。对于一个实际金属打印件，完全凭借经验或者直观感觉，进行打印的成功率较低，通常采用试错方法，既浪费了成本，又大大增加了产品成功打印的制造周期。
图1. 金属打印机的影响因素
2、金属增材工艺仿真的价值
基于机器和粉末的标定试验，获取宏观的变形修正参数和微观的单道扫描信息和参数，在产品设计初期或者增材制造工艺制定期间，利用CAE仿真分析技术，进行数字仿真以提前获取产品打印的性能特性，将是解决金属增材工艺质量问题的一个重要手段和方法。通过提前预测并在此基础上进行工艺优化，使得物理的样品打印减少失败概率，同时较大程度地减少打印成本，不合格产品的数量和试错次数也大为降低。同时增材金属打印件便于制造的设计方式和设计修正可以大大增强，增材工艺设计流程和经验可以累积和固化，机器的利用率和产品打印的周期得到提高，产品打印的可重新性和质量能够得到保证。如果微观金相组织和特性预测也能够通过CAE仿真实现，仿真将大大加快新材料,新机器,新工艺参数包的开发，减少研发成本和周期，同时个性化微观结构和获取期望的材料属性将成为可能。CAE仿真对于金属增材打印的价值汇总如下图2：
图2. 金属增材工艺CAE仿真的价值
3、金属增材工艺仿真的困难
虽然增材工艺仿真的价值比较巨大，但要实现起来困难较多，难度较大。主要的困难包括以下几个方面：
●空间离散规模庞大、时间离散步长数庞大，计算时间如何去满足工程需求。
复杂结构件从光斑尺寸到空间上宏观尺寸的分布，网格化离散的规模巨大。同时打印时间较长，大件以天计算，而仿真在热-固耦合的尺度上时间步长甚至需要在微秒乃至更小的一个量级上离散。如何实现打印工艺过程的模拟，以现有的计算硬件资源，难度非常大。
●宏观与微观，多尺度问题
熔池内部无论是物理现象还是研究对象尺度，都是微观层面。但是打印的对象尺寸以米为宏观对象，在其中之间无论是否考虑介观尺度，如何将众多与常规尺度条件下迥然不同的微观尺度现象与宏观现象进行统一，如何将增材制造熔池内快速冷却凝固的非平衡态熔池动力学造成的材料微观理论和打印件宏观规律结合起来，则需要从多尺度的角度入手进行分析。
图3. 金属增材工艺多尺度现象
●物理过程机理复杂
仅仅考虑熔池内的物理现象，增材金属打印已经非常复杂，其中包含浸润、毛细、表面张力、马兰格尼对流、熔池动力学、相变等非常复杂的物理过程，其物理变化的准确机理和演变规律在真实工程中需要实验验证和总结，很难是物理控制方程就完全预测和归纳。
图4. 熔池内物理机理现象
●涉及环节较多
增材金属制造不仅仅是涉及到金属粉末的质量和特性，还包括增材设计是否适合打印，机器设备，打印工艺设计和打印参数包设置甚至后处理也会使得打印质量有较大变化。金属增材制造涉及的环节较多
●不确定性和误差来源较多
由于环节长，涉及的因素方方面面，因而不确定性和误差来源也较多。
4、金属增材SLM工艺仿真的解决方案和思路
金属增材工艺包含SLM，EBM，SLS和DMD，包含还有衍生的工艺方法如LBW，EBW，同时为了提高生产力，快速等离子沉积（RPD）也在逐步研发应用中。
我们先聚焦到比较流行和常用的SLM粉末床熔化工艺上，SLM金属增材制造工艺仿真是一个非常复杂的典型多尺度和多物理场的分析过程。多尺度体现在从宏观尺度到介观尺度再到微观尺度的多尺度分析；多物理场则需要对包含成型温度场、气场(保护气体)、熔体流场(熔池流体)、速度场(铺粉过程)、及打印结构的固体应力和变形场等多物理场的分析，多物理场作用渗透在金属增材制造成型的每个阶段。
宏观尺度的仿真分析主要是针对零件成型的工艺仿真，对成型过程中的应力应变、成型温度场以及成型过程中可能存在的风险给出仿真预测。宏观分析的对象是打印件自身和工艺设计的支撑对象，也可能包括基板和必要的机器设备信息如激光光源。根据工艺仿真算法的不同，目前又可以分为基于温度与结构耦合的工艺过程仿真和基于固有应变算法的工艺过程仿真。
介观尺度的仿真分析主要是针对熔池和粉末的分析，包括熔池流动性、熔池大小形貌以及粉末的流动性、粉末传热和熔化后的蒸发、飞溅等现象，考虑熔池内部的表面张力、毛细、浸润，考虑马兰格尼对流，目前主要有等效热耦合和CFD等方法应用于该分析，通过熔池动力学预测溶化过程尤其重要的凝固过程，获取相变历程、温度及温度梯度历程包括凝固冷却速率。
微观尺度的仿真通过获取宏观或介观尺度分析得到的温度梯度或凝固冷却速率，针对金属增材制造后的晶体组织形态、晶粒大小与取向以及缺陷和性能预测等内容的分析，目前主要用到的重要方法包括相场法（Phase Field）、自动元胞机（Cellaur Automaton）等，不同的方法各有特点和限制。
图5.金属增材制造过程中涉
及到的多尺度和多物理场
4.1 宏观尺度的工艺过程仿真
目前应用于宏观尺度的金属增材制造工艺仿真的方法主要有两种，即温度与结构耦合的(热弹塑性)有限元分析方法和固有应变有限元分析方法。宏观尺度工艺过程仿真分析结果通常包括：部件和支撑变形和残余应力（去除支撑前/去除支撑后）；逐层应力和变形；变形补偿；刮板碰撞检测；高应变区域；基于应力优化支撑等。
4.1.1基于温度场和结构场解耦分析的工艺过程仿真
SLM过程中，由于热源的移动性和局部性，温度分布并不均匀，随着光斑的快速移动，截面上各点的温度也会发生急剧变化，材料性能也随着温度变化而变化，因此增材打印的过程中，温度场是非线性瞬态热传导、对流和辐射问题，且温度场与打印过程中所用的扫描策略以及打印工艺相关，温度场的求解是一个很复杂的过程。
基于温度场和结构场的解耦工艺仿真具体过程可描述如下：假设热（温度）和结构（变形和应力）物理过程为弱耦合过程，可以先逐层仿真热现象，并在后续的结构仿真中利用节点温度来计算结构（变形和应力）。在增材过程仿真中，单元格随着时间逐层变化，首先用分层的笛卡尔网格将整个结构进行划分，然后采用生死单元技术层层激活。此时相关的边界条件也会发生变化，比如热对流表面，边界条件随制造过程在内部自动更新。当所有的单元层都被激活时，就完成了整个仿真过程。
然而这种算法需要先对增材制造过程中各时刻的温度场进行瞬态分析，需占用大量计算时间和存储空间。商业软件ANSYS Workbench通过对零件的温度场进行逐层计算并累加，然后将温度场作为初始温度载荷施加到应力场中，对零件逐层进行应力场求解，最终得到DMD或SLM过程后零件的应力应变结果。
图6. ANSYS Workbench Additive AM 工艺仿真流程
4.1.2基于固有应变的工艺过程仿真
固有应变理论源于焊接的工艺仿真过程，是由日本的学者提出的。所谓固有应变可以看成是内应力的产生源。若将物体处于既无外力也无内力的状态看作为基准状态, 固有应变ε＊就是表征从应力状态切离后处于自由状态时, 与基准状态相比所发生的应变, 它等于总的变形应变ε减去弹性应变εe，即：
ε＊=ε-εe
在焊接过程中，构件受到不均匀加热并且产生塑性变形时，则固有应变即为热应变εp、塑性应变εT和相变εX之和，即：
ε＊ =εP +εT +εX
固有应变存在于焊缝及其附近, 固有应变的大小和分布就决定了最终的残余应力和变形。固有应变有限元方法着眼于焊接以后在焊缝和近缝区存在的固有应变(不考虑熔池动力学以及焊接整个过程中的温度场)，将固有应变作为初始值进行一次弹性有限元计算，就可以得到整个焊件的残余应力和变形。金属增材制造过程可分解成一个个单独的焊接过程，因此固有应变有限元分析方法同样适用于金属增材制造。
利用固有应变理论进行工艺仿真时，结合金属增材制造的具体过程又可以分为以下三种计算模式，即假定均匀应变、扫描应变和热应变
●假定应变模式
假定均匀应变是假设在金属增材制造成型过程中，每个区域所受到的固有应变的大小都是均匀和各向同性的，其大小与材料的屈服强度和弹性模量相关，即
