SLM工藝仿真綜述（一）之金屬增材制造面臨的挑戰與解決方案
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證總監Wayne King曾經在GE打造的Industry in 3D系列訪談節目中，談到金屬增材制造工藝如果僅僅依靠人類的經驗來進行加工質量提升，那么這個過程是充滿痛苦和煎熬的。這種基于人的經驗加工技術將要被基于科學的加工技術所替代。那么這種基于人的經驗的加工技術將如何被基于科學的加工技術所替代呢？
圖片：金屬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
金屬增材制造的過程是十分復雜的過程，要成功打印出一個合格的零部件受到來自材料、打印機器設備、工藝設計、工藝參數和設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，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末熔化到冷卻成為固體結構，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構。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量的影響也較大。
為了熔化粉末，必須有充足的激光能量轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全致密的部分，但同時熱量的傳導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域溫度下降，由于熱傳導的作用，微型熔池周圍出現軟化但不液化的粉粒。
通常這些部分燒結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到下面的層，從而將燒結不完全的顆粒又可能發生重新熔化。這種漸進的熔化和冷卻的層相互發生作用，且內部存在著強烈的物理、化學變化、復雜的成形冶金機理，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
對于一個實際金屬打印件，如果完全憑借經驗或者直觀感覺，進行打印的成功率較低，通常采用試錯方法，既浪費了成本，又大大增加了產品成功打印的制造周期。
圖1：影響金屬3D打印結果的因素，來源：安世亞太
質量保證是金屬打印至關重要的要素，金屬增材制造可能出現所打印的零部件變形、開裂的問題。同一個部件，在加工參數、層數、材料相同的條件下，構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力水平低，水平方向馬氏體相殘余應力水平高。
如此多的因素會影響到金屬3D打印的結果，這就帶來了仿真的重要性。
增材制造工藝參數仿真主要研究加工參數、粉末、幾何構型等因素對于宏觀變形、殘余應力，部件微觀內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。產品打印過程中，也必須關注宏觀控形，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，需要關注孔隙率、相變、球化、顆粒尺寸、一次和二次枝晶結構和初始位錯密度等微觀特性，表征到打印件后續質量即為金屬件力學性能和特性。
金屬增材工藝仿真的價值
基于機器和粉末的標定試驗，獲取宏觀的變形修正參數和微觀的單道掃描信息和參數，在產品設計初期或者增材制造工藝制定期間，利用CAE仿真分析技術，進行數字仿真以提前獲取產品打印的性能特性，是解決金屬增材工藝質量問題的一個重要手段和方法。
通過提前預測并在此基礎上進行工藝優化，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，不合格產品的數量和試錯次數也大為降低。同時增材金屬打印件便于制造的設計方式和設計修正可以大大增強，增材工藝設計流程和經驗可以累積和固化，機器的利用率和產品打印的周期得到提高，產品打印的可重新性和質量能夠得到保證。
在發展方面，如果微觀金相組織和特性預測也能夠通過CAE仿真實現，仿真將大大加快新材料、新機器、新工藝參數包的開發，減少研發成本和周期，同時個性化微觀結構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如下圖2：
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：
- 空間離散規模龐大、時間離散步長數龐大，計算時間如何去滿足工程需求。
復雜結構件從光斑尺寸到空間上宏觀尺寸的分布，網格化離散的規模巨大。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。如何實現打印工藝過程的模擬，以現有的計算硬件資源，難度非常大。
- 宏觀與微觀，多尺度問題
熔池內部無論是物理現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，如何將眾多與常規尺度條件下迥然不同的微觀尺度現象與宏觀現象進行統一，如何將增材制造熔池內快速冷卻凝固的非平衡態熔池動力學造成的材料微觀理論和打印件宏觀規律結合起來，則需要從多尺度的角度入手進行分析。
圖3：金屬增材工藝多尺度現象, 來源：安世亞太
- 物理過程機理復雜
僅僅考慮熔池內的物理現象，金屬3D打印過程已經非常復雜，其中包含浸潤、毛細、表面張力、馬蘭格尼對流、熔池動力學、相變等非常復雜的物理過程，其物理變化的準確機理和演變規律在真實工程中需要實驗驗證和總結，很難是物理控制方程就完全預測和歸納。
根據3D科學谷，美國國家技術研究所（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揮著作用，研究人員認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力，以及對材料性能——包括硬度和強度等各種變量相互關系的研究不足導致了3D打印工藝難以量化控制。金屬粉末的熔化導致不當的缺陷，這造成了熔池內的缺陷稱為孔隙和裂縫。
圖4：熔池內物理機理現象, 來源：安世亞太
- 涉及環節較多
增材金屬制造不僅僅是涉及到金屬粉末的質量和特性，還包括增材設計是否適合打印，機器設備，打印工藝設計和打印參數包設置甚至后處理也會使得打印質量有較大變化。金屬增材制造涉及的環節較多。
- 不確定性和誤差來源較多
由于環節長，涉及的因素方方面面，因而不確定性和誤差來源也較多。
挑戰還包括正確的收集數據的技術和分析能力，唯有進一步研究熔池實時監測并獲取熔池實時數據，包括腔室內的溫度傳感器獲取溫度，通過對適時收集數據的相關性分析和回歸研究，方可研究影響金屬增材工藝宏觀控形微觀控性的詳細影響因素，進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。但目前監測設備、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？敬請關注后續谷.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》
包剛強
德國Esocaet計算力學專業碩士，近20年CAE行業技術經驗和仿真咨詢經驗，完成日、德、中國數百項仿真咨詢項目和多款CAE軟件內核算法開發，現任安世中德咨詢有限公司技術總經理，專業從事基于CAE技術為驅動的工程仿真咨詢和增材先進設計與工藝仿真咨詢。
賀進
男，上海大學材料加工專業碩士。畢業后一直從事于金屬增材制造的設備開發、工藝開發和材料研究等工作，現為安世中德咨詢有限公司增材制造與先進設計應用工程師。
(責任編輯：admin)
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