基于Simufact Additive的激光選區(qū)熔化成形過程有限元分析

文/門正興，張學(xué)睿·成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

包有宇，宋金松·諾世創(chuàng)(北京）技術(shù)服務(wù)有限公司

為預(yù)測(cè)激光選區(qū)熔化成形(SLM）復(fù)雜零件變形及應(yīng)力分布情況，采用Simufact Additive 軟件對(duì)316L不銹鋼葉輪SLM成形過程進(jìn)行了有限元分析，得到了葉輪成形過程中成形溫度、等效應(yīng)力變化規(guī)律并對(duì)零件尺寸偏差進(jìn)行了預(yù)測(cè)。對(duì)葉輪進(jìn)行激光選區(qū)熔化成形并采用三維激光掃描儀對(duì)成形零件開展幾何量檢測(cè)，結(jié)果顯示：數(shù)值模擬分析結(jié)果與檢測(cè)結(jié)果相一致，SLM方法成形葉輪最大尺寸偏差出現(xiàn)在葉片頂部外緣，模擬及試驗(yàn)結(jié)果與理論模型總體尺寸偏差均在0.2mm以內(nèi)，該預(yù)測(cè)結(jié)果可以為進(jìn)一步SLM成形零件尺寸補(bǔ)償以及工藝過程優(yōu)化提供依據(jù)。

激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective Laser Melting，SLM)是目前最成熟、成形效率最高、應(yīng)用最為廣泛的金屬零件直接增材制造技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、軍工以及模具領(lǐng)域的復(fù)雜零件試制及中小批量生產(chǎn)。SLM增材制造技術(shù)采用小直徑球形金屬粉末為原材料，能量密度高、光斑小的大功率激光束為熱源，通過高精度振鏡控制激光束X、Y方向偏轉(zhuǎn)，通過高精度滾珠絲杠副控制工作缸Z方向移動(dòng)，最終使得SLM技術(shù)成形零件精度以及表面粗糙度較高，常用于生產(chǎn)薄壁件、復(fù)雜件、內(nèi)部有復(fù)雜流道以及具有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的零件。

SLM成形過程中金屬粉末在高能激光束的作用下，逐層快速熔化后快速凝固，使得成形零件內(nèi)部產(chǎn)生較大應(yīng)力，應(yīng)力在打印過程、零件熱處理過程、去基板過程以及去支撐過程中不斷釋放，最終導(dǎo)致SLM成形零件的尺寸產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致零件報(bào)廢。目前，提高SLM成形零件成形精度的主要方法為增加零件加工余量后，進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工，該方法以經(jīng)驗(yàn)為主，降低了SLM成形效率、增加了零件制造成本和生產(chǎn)周期。

Simufact Additive是MSC軟件公司研發(fā)的一款專門針對(duì)金屬材料增材制造提供優(yōu)化解決方案的軟件，其采用像素體網(wǎng)格和固有應(yīng)變方法可以實(shí)現(xiàn)SLM成形過程溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)、應(yīng)力場(chǎng)預(yù)測(cè)、變形預(yù)測(cè)及補(bǔ)償、支撐優(yōu)化、最佳擺放角度優(yōu)化、成本預(yù)估等功能，為提高SLM成形零件精度、減少成形缺陷提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。本文以SLM成形316L不銹鋼小型葉輪為研究對(duì)象，采用Simufact Additive軟件對(duì)其成形過程進(jìn)行了有限元分析，成形結(jié)果與實(shí)際打印結(jié)果相對(duì)比，驗(yàn)證模擬的可靠性。

葉輪SLM成形數(shù)值模擬

選擇典型葉輪零件開展SLM過程數(shù)值模擬以及后續(xù)的試驗(yàn)研究。如圖1(a)所示，試驗(yàn)用葉輪最大外形尺寸為φ45mm×12.5mm，八片1.2mm厚異形葉片對(duì)稱分布，傳統(tǒng)加工方法為鍛態(tài)圓柱形毛坯數(shù)控加工，材料利用率較低。SLM成形可以實(shí)現(xiàn)葉輪的快速制造，還可以對(duì)葉輪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)以及增加內(nèi)部冷卻水道等傳統(tǒng)制造方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證，減少材料成形方法對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的束縛。

SLM成形過程包含金屬粉末材料多層固—液—固快速轉(zhuǎn)換，采用傳統(tǒng)的熱彈塑性有限元法進(jìn)行模擬計(jì)算量非常大，難以實(shí)現(xiàn)。Simufact Additive 采用固態(tài)應(yīng)變法獲得零件SLM成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，大大縮短了計(jì)算時(shí)間，而模擬的可靠性可以針對(duì)具體成形設(shè)備、金屬原材料以及成形工藝進(jìn)行流程化標(biāo)定。圖1(b)所示為采用0.36mm正方形六面體單元網(wǎng)格(像素網(wǎng)格)對(duì)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分后葉輪模型，共劃分網(wǎng)格136429個(gè)，分38層。

圖1 葉輪三維及有限元模型

圖2為葉輪SLM成形過程中不同階段溫度場(chǎng)分布云圖。由圖可知，SLM成形過程中存在較大溫度梯度，零件成形層最高溫度達(dá)到1725℃，而成形后大部分區(qū)域溫度在200℃左右。

圖2 葉輪SLM成形過程中溫度場(chǎng)分布

圖3為葉輪SLM成形不同階段等效應(yīng)力分布云圖，打印過程中等效應(yīng)力隨打印高度的升高以及零件的復(fù)雜程度而越來越不均勻。由圖可知，在成形25%階段主要打印葉輪底板，由于打印形狀為圓盤形，零件等效應(yīng)力分布較為均勻。隨著打印過程的持續(xù)進(jìn)行，等效應(yīng)力在葉片的分布非常不均勻，并隨著打印高度的變化而變化。打印結(jié)束后，葉片最大等效應(yīng)力為679MPa，出現(xiàn)在葉片頂部，較大的應(yīng)力差導(dǎo)致零件產(chǎn)生變形，變形后的殘余應(yīng)力將在后續(xù)的熱處理、去基板過程、去支撐過程中繼續(xù)釋放，從而導(dǎo)致SLM成形零件的二次變形、三次變形等。圖4為帶基板零件在900℃進(jìn)行去應(yīng)力退火前后等效應(yīng)力分布。由圖可知，退火處理可以大幅減少零件內(nèi)部殘余應(yīng)力，使得零件在后續(xù)使用過程中外形尺寸不隨時(shí)間發(fā)生變化。

圖3 葉輪SLM成形過程中等效應(yīng)力分布

圖4 熱處理前后葉輪等效應(yīng)力對(duì)比

將Simufact Additive計(jì)算得到的SLM成形葉輪模型與原CAD幾何體進(jìn)行對(duì)比，得到二者形狀偏差云圖(圖5)。葉輪八個(gè)異形葉片在SLM成形過程中出現(xiàn)較大尺寸偏差，其中紅色區(qū)域?yàn)檎?，表示成形尺寸大于理論尺寸，最大正偏差?.17mm；藍(lán)色部分為負(fù)偏差，表示成形尺寸小于理論尺寸，最大負(fù)偏差為0.1mm。根據(jù)該預(yù)測(cè)結(jié)果，采用SLM直接成形零件葉片發(fā)生變形，至少需要增加0.2mm余量后采用機(jī)械加工方式才能得到合格的葉輪零件。

圖5 SLM成形葉輪尺寸偏差預(yù)測(cè)

葉輪激光選區(qū)熔化成形試驗(yàn)

采用成都雍熙聚材有限公司提供的設(shè)備YS-340M進(jìn)行葉輪激光選區(qū)熔化成形試驗(yàn)，原材料為粒度15～53μm球形316L不銹鋼粉末。316L不銹鋼成形主要工藝參數(shù)為：激光功率380 W、激光掃描速度1200mm/s，單層成形厚度為0.04mm。葉片成形后帶基板在900℃保溫2小時(shí)，進(jìn)行退火熱處理以減小零件應(yīng)力變形，熱處理后采用線切割方式得到最終葉輪，如圖6所示。

圖6 SLM成形葉輪

采用HandySCAN 700三維激光掃描儀對(duì)SLM方法成形葉輪與理論模型進(jìn)行比對(duì)分析，分析結(jié)果如圖7所示。葉輪最大尺寸偏差出現(xiàn)在葉片頂部區(qū)域，最大值為0.1988mm，與Simufact Additive軟件得的結(jié)果較為一致。

圖7 SLM成形葉輪三維掃描結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

采用Simufact Additive軟件對(duì)316L不銹鋼葉輪零件激光選區(qū)成形過程進(jìn)行分析，得到了零件成形過程溫度場(chǎng)和等效應(yīng)力場(chǎng)分布云圖；將葉輪基于有限元分析尺寸偏差預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際成形葉輪三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者結(jié)論較一致，驗(yàn)證了基于Simufact Additive軟件的SLM成形過程模擬的可行性。