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增材制造，也被稱(chēng)為3D打印，是一種用金屬粉末或金屬絲一層一層地制造零部件的方法。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)刀具等多道加工工序，可快速精密的制造出任意復(fù)雜形狀的零部件，從而解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成型問(wèn)題，并極大的減少加工工序，縮短加工周期。作為第三次工業(yè)革命的代表技術(shù)之一，人們對(duì)增材制造工藝興趣大增，而新一輪的全球制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)極可能是3D打印與高端裝備的競(jìng)爭(zhēng)，因此AM（增材制造）技術(shù)的應(yīng)用將直接影響制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

AM技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、工業(yè)模具等領(lǐng)域，其中金屬增材制造技術(shù)是目前發(fā)展最快，應(yīng)用前景最好的技術(shù)之一，如航空領(lǐng)域的大尺寸金屬航空零部件直接制造與組織結(jié)構(gòu)一體化制造。目前金屬增材制造技術(shù)的應(yīng)用也面臨一些問(wèn)題，如加工強(qiáng)度不夠，殘余應(yīng)力等，如何將先進(jìn)的金屬增材制造技術(shù)高效應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)制造與生產(chǎn)過(guò)程是提高制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真分析技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，在實(shí)際加工前利用先進(jìn)的數(shù)值仿真方法進(jìn)行金屬增材制造過(guò)程分析是非常必要的，可為金屬增材制造工藝過(guò)程優(yōu)化提供理論分析基礎(chǔ)與支撐。金屬增材制造的工藝過(guò)程復(fù)雜，涉及多物理現(xiàn)象的仿真計(jì)算，如計(jì)算流體力學(xué)、熔池動(dòng)力學(xué)、顆粒力學(xué)、多相流體力學(xué)等。要準(zhǔn)確模擬金屬增材制造工藝過(guò)程，首先需要建立完備先進(jìn)的多物理模型，基于先進(jìn)的網(wǎng)格生成技術(shù)與求解算法，從而進(jìn)行金屬增材制造工藝過(guò)程的快速仿真與優(yōu)化。

1、金屬增材制造數(shù)值仿真方案介紹
基于上述金屬增材制造過(guò)程的仿真特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的數(shù)值仿真分析技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確高效的捕捉金屬增材制造工藝過(guò)程關(guān)鍵特征，本文將介紹一種專(zhuān)業(yè)的金屬增材制造仿真工具FLOW-3D AM。 

FLOW-3D AM是一款專(zhuān)業(yè)的金屬增材制造仿真軟件，其多物理性能提供了金屬增材制造過(guò)程中對(duì)粉末擴(kuò)散和壓實(shí)、熔體池動(dòng)力學(xué)、L-PBF和DED的孔隙形成、粘合劑噴射工藝的樹(shù)脂滲透和擴(kuò)散的高精度模擬，用于分析和優(yōu)化AM工藝參數(shù)。

針對(duì)金屬增材制造過(guò)程的仿真難點(diǎn)， FLOW-3D AM專(zhuān)業(yè)的物理模型和先進(jìn)的求解器與網(wǎng)格技術(shù)可快速解決以上技術(shù)問(wèn)題：

• FLOW-3D AM完備的多物理模型：FLOW-3D AM物理模型包括DEM離散元模型，WELD熱源模型，WELD多重反射模型，WELD保護(hù)氣體模型，WELD熔池與匙孔傳熱模型，傳熱凝固模型，氣泡和相變模型，表面張力模型，黏度和紊流模型，VOF自由液面模型等，可準(zhǔn)確高效的建立金屬增材制造工藝過(guò)程的多物理模型。

• FLOW-3D AM先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù)：FLOW-3D AM采用矩形網(wǎng)格與FAVOR網(wǎng)格技術(shù)可準(zhǔn)確表示幾何形狀，易生成網(wǎng)格且不受幾何結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或變化的影響，可快速建立仿真所需的網(wǎng)格模型。

• FLOW-3D AM 高效的求解功能：FLOW-3D AM求解器基于有限差分法，利用GMRES解算器進(jìn)行控制方程的求解，可快速、更高效的進(jìn)行金屬增材制造過(guò)程的仿真計(jì)算，且支持高性能并行仿真。

2、多物理模型介紹
多物理模型的建立是準(zhǔn)確模擬增材制造過(guò)程的重中之重，F(xiàn)LOW-3D AM包含增材制造過(guò)程涉及的相關(guān)物理模型，包括WELD、DEM以及其他相變等相關(guān)物理模型。

2.1 FLOW-3D AM-DEM離散元模塊
DEM是分析多種實(shí)體單元碰撞運(yùn)動(dòng)的有效方法，可模擬顆粒碰撞與顆粒間的相互作用，與流動(dòng)分析結(jié)合應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
DEM模塊可在圖形界面計(jì)算顆粒彈性系數(shù)；設(shè)置顆粒之間 / 顆粒與壁面碰撞的恢復(fù)系數(shù)；允許接觸的顆粒重疊；粗?；幚恚ê?jiǎn)化計(jì)算顆粒數(shù)）；設(shè)置顆粒靜動(dòng)摩擦系數(shù)、壁面靜動(dòng)摩擦系數(shù)；考慮顆粒吸引力等。

2.2 FLOW-3D AM-WELD模塊
WELD模塊包含多種增材制造過(guò)程設(shè)置模塊，包括熱源與熔池模擬等相關(guān)模型，如下表1所示：

2.3 FLOW-3D AM-其他物理模型
除以上介紹的DEM與WELD模型外，F(xiàn)LOW-3D AM具備其他增材制造工藝過(guò)程涉及到的其他多物理模型，如下表2所示：
3、應(yīng)用案例介紹

目前金屬增材制造工藝主要包括激光粉床融合（L-PBF）、黏結(jié)劑噴射和定向能量沉積（DED）等，F(xiàn)LOW-3D AM自由曲面跟蹤算法及其多物理模型可以高精度地模擬上述工藝過(guò)程，包括鋪粉、熔池動(dòng)力學(xué)、L-PBF和DED的氣孔形成、黏結(jié)劑噴射工藝的樹(shù)脂滲透和擴(kuò)散，分析和優(yōu)化工藝參數(shù)，為金屬增材制造提供獨(dú)特的仿真視角。

3.1 FLOW-3D AM 激光粉床融合（L-PBF）
L-PBF工藝涉及流體流動(dòng)、傳熱、表面張力、相變和凝固等復(fù)雜的多物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象對(duì)工藝和最終的制造質(zhì)量有著重要影響。FLOW-3D AM物理模型通過(guò)考慮顆粒粒徑分布和填料組分，同時(shí)求解質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程來(lái)模擬中尺度熔體池現(xiàn)象。L-PBF工藝過(guò)程包括：鋪粉；粉末熔化和固化；在固化層上鋪設(shè)新粉末；再將新粉層與之前的層熔化、融合；…。FLOW-3D AM可模擬L-PBF任意工藝過(guò)程，下面以選擇性激光熔化（SLM）為例進(jìn)行該工藝仿真案例介紹。

本例SLM過(guò)程的三維CFD模型如下圖所示：

圖1.SLM粉床三維CFD模型

3.1.1 鋪粉過(guò)程
FLOW-3D DEM可模擬落下隨機(jī)分布的粒子并堆積鋪平來(lái)模擬鋪粉過(guò)程，同時(shí)可選擇不同的顆粒粒徑分布。FLOW-3D DEM還可以對(duì)粒子-粒子相互作用、流體-粒子耦合和粒子-運(yùn)動(dòng)物體相互作用進(jìn)行詳細(xì)分析。此外，它可以指定粒子間的力，以更精確地研究粉末擴(kuò)散應(yīng)用。
在DEM模塊可設(shè)置粉末顆粒參數(shù)：（1）在剛性容器內(nèi)釋放大約24000個(gè)粉末顆粒。（2）在重力的作用下，顆粒自由降落至容器中。（3）利用一定速度（10m/s）移動(dòng)的刀片進(jìn)行粉末刮平。（4）將生成的粉床模型導(dǎo)出。

圖2. 粉床生成過(guò)程示意圖

為研究不同鋪粉方式的粉床壓實(shí)度變化，本例進(jìn)行了上述刀片刮平（10cm/s）和滾筒在不同速度下刮平的粉床密實(shí)度研究。本例滾筒直徑5mm，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針，平動(dòng)速度與刀片相同，旋轉(zhuǎn)速度分別為0、3.14、6.28和9.42rad/s。

下圖對(duì)比了不同鋪粉方式下的粉床壓實(shí)度，可以看出鋪粉方式對(duì)粉床的壓實(shí)度影響明顯，通過(guò)優(yōu)化鋪粉方式可增加粉床的密實(shí)度。

3.1.2  熔池模型
鋪好粉床后，可以在FLOW-3D WELD中指定激光束工藝參數(shù)，以進(jìn)行高精度熔池模擬?？梢栽敿?xì)分析溫度、速度、固相分?jǐn)?shù)、溫度梯度及凝固速度等。熔池凝固后，F(xiàn)LOW-3D AM壓力和溫度數(shù)據(jù)也可導(dǎo)入至Abaqus或MSC Nastran等FEA工具中，以分析應(yīng)力和變形量。
在WELD模塊下設(shè)置激光功率200W，激光速度1000mm/s，光斑尺寸52μm，初始溫度298K，導(dǎo)入DEM模塊設(shè)置好的幾何文件進(jìn)行熔池模擬。
仿真結(jié)果可知，由于材料蒸發(fā)引起的反沖壓力，使得激光中心區(qū)域有明顯的熔池凹陷，當(dāng)溫度超過(guò)材料熔點(diǎn)時(shí)計(jì)算將自動(dòng)激活相變模型考慮蒸發(fā)效應(yīng)。在與激光運(yùn)動(dòng)相反方向的熔池區(qū)域形成了回流區(qū)，在表面張力的作用下熔池由激光中心區(qū)域逐漸擴(kuò)大。

（a）溫度分布

（b）熔池截面速度分布

（c）不同位置熔池截面形狀

圖5. SLM熔池模擬結(jié)果

通過(guò)模型試驗(yàn)與仿真對(duì)比驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確度，CFD熔池區(qū)域的尺寸形狀與試驗(yàn)值吻合，最大仿真誤差小于2%。因此，利用FLOW-3D AM進(jìn)行激光粉床熔融的模擬，可獲得合理的仿真結(jié)果用于用戶(hù)研究與分析。

以上案例參考文獻(xiàn)：
Cheng B , Li X , Tuffile C , et al. MULTI-PHYSICS MODELING OF SINGLE TRACK SCANNING IN SELECTIVE LASER MELTING: POWDER COMPACTION EFFECT[C]// 29th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference. 2018.
3.1.3 多層增材制造

當(dāng)?shù)谝粚尤鄢啬毯螅诠袒瘜由铣练e第二層顆粒。指定新粉末層上的激光工藝參數(shù)，再進(jìn)行熔池模擬。通過(guò)仿真多層增材制造過(guò)程以評(píng)估凝固層之間的熔合性，分析凝固層內(nèi)部的溫度梯度，并監(jiān)測(cè)孔隙或其他缺陷的形成。

圖7. 多層SLM過(guò)程

3.2 定向能量沉積（DED）
FLOW-3D AM的內(nèi)置粒子模型可用于模擬定向能量沉積過(guò)程。通過(guò)指定粉末注入速率和入射到固體基體上的熱通量，固體顆粒可以向熔池中增加質(zhì)量、動(dòng)量和能量。
激光金屬沉積（LMD）根據(jù)填充材料可分為線材和粉末填充。
3.2.1線材激光金屬沉積
線材激光金屬沉積是一種基于激光熔覆技術(shù)的焊接工藝，零件由激光熔融線材制成，是一種近凈成型過(guò)程。通過(guò)優(yōu)化激光功率、線材速度和送絲方向，可以提高LMD工藝穩(wěn)定性。

圖8. 線材激光金屬沉積原理

3.2.2粉末激光金屬沉積
基于粉末的LMD工藝適合創(chuàng)建復(fù)雜幾何形狀的功能梯度材料，不同粉末可預(yù)混形成一種定制合金，該工藝制造零件的尺寸精度較高，通過(guò)仿真可對(duì)粉末注射速度和激光參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖10. 粉末激光金屬沉積過(guò)程

3.3 黏結(jié)劑噴射
粘結(jié)劑噴射是一種通過(guò)噴射粘合劑使粉末成型的增材制造技術(shù)。在黏結(jié)劑噴射工藝中，作為黏結(jié)劑的樹(shù)脂被選擇性地沉積在金屬粉末上，逐層形成零部件，然后將這些零部件燒結(jié)以獲得更好的致密度，適合制造一些使用激光或電子束燒結(jié)（或熔融）有難度的材料。
黏結(jié)劑噴射模擬為研究受毛細(xì)作用力影響的黏結(jié)劑在粉床中的擴(kuò)散和滲透提供了視角，工藝參數(shù)和材料性能直接影響沉積和擴(kuò)散過(guò)程。

圖11. 黏結(jié)劑噴射模擬

4、技術(shù)小結(jié)
綜上所述，F(xiàn)LOW-3D AM可快速高效模擬和分析多種增材制造過(guò)程，如激光粉末床熔化(L-PBF)、粘結(jié)劑噴射和定向能沉積(DED)等。通過(guò)FLOW-3D AM對(duì)金屬增材制造過(guò)程進(jìn)行仿真，可為金屬增材制造工藝工程師帶來(lái)持續(xù)的價(jià)值效益與作用，如：
通過(guò)模擬激光熔化，分析熔池形態(tài)和鎖孔，可映射并預(yù)測(cè)缺陷設(shè)計(jì)空間和熔池幾何形狀。
通過(guò)分析粉末擴(kuò)散和壓實(shí)參數(shù)，可優(yōu)化滾筒移動(dòng)速度與方向等。
通過(guò)優(yōu)化激光功率、線材速度和送絲方向，可提高線材激光金屬沉積工藝穩(wěn)定性。
通過(guò)優(yōu)化粉末注射速度和激光參數(shù)，可優(yōu)化粉末激光金屬沉積工藝。
通過(guò)分析粘結(jié)劑的擴(kuò)散和滲透，可優(yōu)化黏結(jié)劑噴射過(guò)程的工藝參數(shù)和材料性能。
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