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增材制造俗稱3D打印，是上世紀(jì)末出現(xiàn)的一種新的制造工藝。由于各種限制，沒(méi)能在工業(yè)界普遍應(yīng)用。在新工業(yè)時(shí)代的技術(shù)條件和應(yīng)用環(huán)境下，這一技術(shù)被工業(yè)界重新重視，并得到快速應(yīng)用。
在《你用仿真當(dāng)花瓶，我們用它改變世界》中，安世亞太高級(jí)副總裁田鋒提到之所以能夠?qū)崿F(xiàn)再設(shè)計(jì)，是因?yàn)樾录夹g(shù)、新工藝的出現(xiàn)，其中具有代表性的新工藝便是增材制造。不把將增材制造單純作為一項(xiàng)制造技術(shù)來(lái)看，反對(duì)用增材制造技術(shù)去打印一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)品。增材制造可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝手段無(wú)法制造的設(shè)計(jì)，賦予了正向設(shè)計(jì)無(wú)限自由，只需要從需求和功能出發(fā)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不需要考慮制造的約束，進(jìn)行顛覆式創(chuàng)新。對(duì)于增材制造所提供的無(wú)限創(chuàng)新空間，設(shè)計(jì)本身是沒(méi)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的，因此仿真便成了重要的工具。因此，再設(shè)計(jì)是仿真技術(shù)的第一個(gè)深層次應(yīng)用。
在憧憬增材制造帶來(lái)的無(wú)限發(fā)展空間的同時(shí)，其實(shí)金屬增材工藝也面臨著巨大挑戰(zhàn)。離開(kāi)仿真，金屬增材制造將遭遇嚴(yán)重瓶頸，只能封印在低層次的應(yīng)用空間。本文將直面增材工藝仿真——仿真技術(shù)的第二個(gè)深層次應(yīng)用。
金屬增材制造面臨的挑戰(zhàn)
雖然金屬增材制造增長(zhǎng)速度近年來(lái)非常可觀，但無(wú)論是直接能量沉積工藝還是粉末床融化工藝，都存在幾大類挑戰(zhàn)：
可打印的金屬材料種類有限，急需開(kāi)發(fā)更多金屬種類以滿足工業(yè)需求；
受打印速度和效率制約，不適合量產(chǎn)；
打印成本過(guò)高，包括機(jī)器成本、粉末成本及較高打印失敗率帶來(lái)的額外成本；
需要繁瑣冗長(zhǎng)的打印后處理環(huán)節(jié)；
打印件質(zhì)量保證及工藝調(diào)試難度很高。
其中，質(zhì)量保證是獲得合格打印件至關(guān)重要的因素。金屬增材制造可能出現(xiàn)部件變形、開(kāi)裂等問(wèn)題。同一部件，在加工參數(shù)、層數(shù)、材料相同的條件下，采用不同取向和位置，成品微觀組織和屬性就不同，譬如，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。
增材制造工藝仿真主要研究加工參數(shù)、粉末、幾何構(gòu)型等因素對(duì)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。宏觀控形與微觀控性是金屬增材工藝中兩個(gè)重要考察指標(biāo)：宏觀控形重點(diǎn)關(guān)注翹曲變形、部件開(kāi)裂、刮板碰撞或支撐開(kāi)裂等問(wèn)題；微觀控性需要關(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(cuò)密度等微觀特性，這些將決定金屬件力學(xué)性能和特性。
金屬增材制造看似簡(jiǎn)單，但真實(shí)過(guò)程非常復(fù)雜。能否成功打印出一個(gè)合格的零部件，受到材料、打印機(jī)器設(shè)備、工藝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)和設(shè)置以及后處理等諸多因素的影響。對(duì)于一個(gè)實(shí)際金屬打印件，完全憑借經(jīng)驗(yàn)或者直觀感覺(jué)，打印的成功率較低。試錯(cuò)方法既增加成本，又延長(zhǎng)產(chǎn)品制造周期。
金屬增材工藝仿真的意義
利用仿真技術(shù)提前獲取打印產(chǎn)品的性能特性，是解決金屬增材工藝質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要手段和方法。通過(guò)提前預(yù)測(cè)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝優(yōu)化，可降低打印失敗概率，同時(shí)可較大程度地減少打印成本，不合格產(chǎn)品的數(shù)量和試錯(cuò)次數(shù)也大為降低。
雖然增材打印技術(shù)具有“無(wú)論多復(fù)雜都可制造”的特性，但相同功能的產(chǎn)品，采用稍微不同的設(shè)計(jì)，可打印性就能大大增強(qiáng)。這對(duì)于打印成功率和制造補(bǔ)償都有重大影響，可能提高機(jī)器利用率，縮短產(chǎn)品打印周期，產(chǎn)品打印的可重復(fù)性和質(zhì)量能夠得到保證。如果微觀金相組織和特性預(yù)測(cè)也能夠通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)，將大大加快新材料、新機(jī)器、新工藝參數(shù)包的開(kāi)發(fā)，減少研發(fā)成本和周期，獲得個(gè)性化微觀結(jié)構(gòu)和控制材料屬性將成為可能。仿真對(duì)于金屬增材打印的價(jià)值匯總?cè)缦聢D所示。
金屬增材工藝仿真的價(jià)值
金屬增材工藝仿真的困難
雖然增材工藝仿真的價(jià)值巨大，但要實(shí)現(xiàn)難度同樣巨大，主要困難包括以下幾個(gè)方面：
I 空間離散規(guī)模龐大，時(shí)間離散步長(zhǎng)數(shù)龐大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)
光斑尺寸之微，宏觀尺寸之巨，他們之間的尺寸反差使得網(wǎng)格化離散的規(guī)模巨大。同時(shí)，打印件的打印時(shí)間一般比較長(zhǎng)，小件以數(shù)小時(shí)計(jì)算，大件則以天計(jì)算，而熱-固耦合仿真的時(shí)間步長(zhǎng)需要在微秒甚至更小量級(jí)上離散。以現(xiàn)有的計(jì)算硬件資源，實(shí)現(xiàn)打印工藝的模擬難度非常大。
I 宏觀、微觀、介觀并存的多尺度問(wèn)題
無(wú)論是物理現(xiàn)象還是研究對(duì)象尺度，針對(duì)熔池內(nèi)部的快速冷卻凝固非平衡態(tài)的動(dòng)力學(xué)研究需要采用材料微觀理論來(lái)進(jìn)行。如何引入介觀，來(lái)將微觀現(xiàn)象與宏觀現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)一，則需要從多尺度的角度入手進(jìn)行分析。
I 物理過(guò)程機(jī)理復(fù)雜
僅僅考慮熔池內(nèi)的物理現(xiàn)象，增材金屬打印就已經(jīng)非常復(fù)雜，其中包含浸潤(rùn)、毛細(xì)、表面張力、馬蘭格尼對(duì)流、熔池動(dòng)力學(xué)、相變等物理過(guò)程。其物理變化的準(zhǔn)確機(jī)理和演變規(guī)律需在工程中利用試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和總結(jié)，很難僅用物理控制方程完全預(yù)測(cè)和歸納。
I 涉及因素和環(huán)節(jié)多
增材金屬制造的質(zhì)量不僅與金屬粉末的質(zhì)量和特性有關(guān)，還與增材設(shè)計(jì)的可打印性、機(jī)器設(shè)備、打印工藝和打印參數(shù)包及后處理等都關(guān)系重大。
I 不確定性和誤差來(lái)源多
由于環(huán)節(jié)長(zhǎng)，涉及因素多，因而不確定性和誤差來(lái)源也較多。
典型金屬增材工藝(SLM)的仿真
金屬增材工藝除SLM、EBM、SLS和DMD外，還有衍生的工藝方法如LBW、EBW、RPD等。這里以比較流行和常用的SLM(粉末床熔化工藝)為例，來(lái)介紹金屬增材工藝的仿真。
SLM金屬增材制造工藝仿真是一個(gè)非常復(fù)雜的典型多尺度和多物理場(chǎng)分析過(guò)程。多尺度體現(xiàn)在從宏觀到介觀再到微觀的尺度跨越，多物理場(chǎng)則需要對(duì)成型溫度場(chǎng)、氣場(chǎng)(保護(hù)氣體)、熔體流場(chǎng)(熔池流體)、速度場(chǎng)(鋪粉過(guò)程)及打印結(jié)構(gòu)的固體應(yīng)力和變形場(chǎng)等進(jìn)行分析，可應(yīng)用于金屬增材制造成型的每個(gè)階段。
I 宏觀尺度的工藝過(guò)程仿真
宏觀尺度的仿真分析主要是針對(duì)零件成型的工藝仿真，對(duì)成型過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變、成型溫度場(chǎng)以及成型過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)給出預(yù)測(cè)。宏觀分析的對(duì)象是打印件自身和工藝設(shè)計(jì)的支撐對(duì)象，也可能包括基板和必要的機(jī)器設(shè)備信息如激光光源。根據(jù)工藝仿真算法的不同，目前應(yīng)用于宏觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種，即溫度與結(jié)構(gòu)耦合的(熱彈塑性)有限元分析方法和固有應(yīng)變有限元分析方法。宏觀尺度工藝過(guò)程的仿真分析結(jié)果通常包括：部件和支撐的變形和殘余應(yīng)力(去除支撐前/去除支撐后)、逐層應(yīng)力和變形、變形補(bǔ)償、刮板碰撞檢測(cè)、高應(yīng)變區(qū)域和基于應(yīng)力優(yōu)化支撐等。
I 介觀尺度的熔池和粉末分析
介觀尺度的仿真分析主要是針對(duì)熔池和粉末的分析，包括熔池流動(dòng)性、熔池大小形貌以及粉末的流動(dòng)性、粉末傳熱和熔化后的蒸發(fā)、飛濺等現(xiàn)象，需考慮熔池內(nèi)部的表面張力、毛細(xì)、浸潤(rùn)及馬蘭格尼對(duì)流等現(xiàn)象，目前主要有等效熱耦合和CFD等方法應(yīng)用于該分析。通過(guò)熔池動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)溶化過(guò)程及凝固過(guò)程，獲取相變歷程、溫度歷程、溫度梯度歷程以及凝固冷卻速率。
目前應(yīng)用于介觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種，即熔池內(nèi)部不考慮粉末尺度的方法和考慮粉末影響的方法。介觀尺度的仿真分析通過(guò)模擬較小尺度熔池內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱，除了預(yù)測(cè)溫度、溫度梯度及冷卻速率外，還可以預(yù)測(cè)表面的質(zhì)量、層間的粘性力、孔隙率等。介觀尺度的仿真分析一般是單道掃描對(duì)象，極少進(jìn)行多道掃描，但得到的結(jié)論和結(jié)果可以修正宏觀仿真結(jié)果，也可以銜接作為后續(xù)微觀尺度分析的輸入。
I 微觀尺度的組織模擬
利用宏觀或介觀尺度分析得到的溫度梯度或凝固冷卻速率，微觀尺度的仿真可用于預(yù)測(cè)制品的晶體組織形態(tài)、晶粒大小與取向以及缺陷和性能等。目前主要用到的重要方法包括相場(chǎng)法(Phase Field)、自動(dòng)元胞機(jī)(Cellaur Automaton)等，不同的方法各有特點(diǎn)和限制。
金屬增材制造過(guò)程獲得的微觀組織結(jié)構(gòu)將直接影響成型件的性能，獲得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶體組織是金屬增材制造的重要目標(biāo)。受金屬增材制造復(fù)雜過(guò)程的影響，晶體的仿真分析也具有相當(dāng)?shù)碾y度。
通過(guò)宏觀分析或介觀分析得到的溫度場(chǎng)或相變結(jié)果數(shù)據(jù)后，可進(jìn)一步計(jì)算得到熱梯度、固化速率、冷卻速率和形態(tài)因子，這是微觀尺度進(jìn)行金相組織模擬的輸入?yún)?shù)。
微觀組織數(shù)值模擬通常包含確定性方法、概率法和相場(chǎng)法。確定性方法通常有前沿跟蹤法，概率法則包含蒙特卡羅法和CA法。確定方法和概率方法模擬晶粒生長(zhǎng)時(shí)都需跟蹤固液界面，以此模擬枝晶的形貌，但對(duì)三維形貌模擬有一定困難。相場(chǎng)方法是以金茲堡-朗道理論為基礎(chǔ)，用微分方程體現(xiàn)擴(kuò)散、有序化勢(shì)和熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的綜合作用，用統(tǒng)一的控制方程，不必區(qū)分固液相及其界面，能夠直接模擬微觀組織的形成。相場(chǎng)法和元胞自動(dòng)機(jī)法是微觀組織模擬仿真常用的兩種數(shù)值模擬方法。
I 金屬SLM增材工藝宏觀、介觀、微觀尺度仿真分析的關(guān)系
金屬SLM增材工藝宏觀、介觀、微觀尺度仿真分析的關(guān)系如圖所示。
金屬SLM增材工藝宏觀、介觀、微觀尺度仿真分析的整體關(guān)系圖
I 增材工藝仿真的其他關(guān)注方向
增材工藝仿真目前比較關(guān)注的應(yīng)用還包括下面專題，細(xì)節(jié)不在此贅述：
特殊后處理(如熱等靜壓)、熱處理對(duì)宏觀變形和消除殘余應(yīng)力影響的分析、微觀模擬(如致密度提升及金相組織改善模擬)、后續(xù)機(jī)加工藝過(guò)程模擬、流內(nèi)表面光滑模擬等；
宏觀模擬中的支撐處理和等效模擬，包括體支撐、Cone支撐和Block面片支撐，后續(xù)更豐富的支撐也會(huì)在宏觀工藝過(guò)程模擬中考慮；
微觀金相組織模擬，這將直接支撐材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)和評(píng)估。
增材工藝仿真的趨勢(shì)和發(fā)展方向
在仿真技術(shù)加持下，增材制造將會(huì)突破瓶頸，充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)人們所期許的巨大創(chuàng)新空間。但隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，增材工藝仿真技術(shù)也將不斷進(jìn)步。我們認(rèn)為其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)主要在以下幾個(gè)方向：
宏觀尺度的增材工藝仿真模擬將越發(fā)普及和工程化應(yīng)用，增材設(shè)計(jì)、工藝和制造等全周期將逐步引入增材工藝仿真，以保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可打印性；
材料—設(shè)備—被打印件—支撐設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)—工藝參數(shù)包—宏觀特性—微觀特性—后處理—性能預(yù)測(cè)，整個(gè)過(guò)程將被流程化和平臺(tái)化；
介觀分析和微觀分析將逐步從研究和科研階段邁入工程化應(yīng)用；
基于物理過(guò)程模擬驅(qū)動(dòng)的支撐設(shè)計(jì)及優(yōu)化軟件將逐步面世；
利用測(cè)試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，AI算法和多尺度算法將實(shí)現(xiàn)增材工藝的線下預(yù)測(cè)；
更多金屬材料數(shù)據(jù)將被測(cè)試并錄入，更多金屬增材工藝方法將得到仿真。
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