金屬選區(qū)激光熔化成型仿真模擬

唐光東，馮 濤，段國(guó)慶，吳朋越，馮云龍

（北京易加三維科技有限公司，北京102200）

0 引言

選區(qū)激光熔化（Selective laser melting，SLM）是在離散-堆積原理基礎(chǔ)上利用高能量密度激光束輻照作用使材料逐層快速凝固成型的過(guò)程，是激光增材制造中極為重要的金屬零件制備技術(shù)。選區(qū)激光熔化以其高效率、高精準(zhǔn)、低消耗的特點(diǎn)而備受關(guān)注，在航空航天、汽車(chē)制造、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[1]。選區(qū)激光熔化成型實(shí)質(zhì)是逐層累積成型，沒(méi)有護(hù)具或模具的保護(hù)，僅依靠已成型層對(duì)當(dāng)前層的支撐，當(dāng)激光在粉末層掃描時(shí)，該層熔化形成熔池，金屬粉末溫度升高使得周?chē)鷾囟扔忠淮翁嵘?，?dǎo)致此處前一層重新熔化，由于液相中無(wú)熱應(yīng)力[4]，會(huì)讓新層熔化過(guò)程成為前一層等效應(yīng)力釋放，但是伴隨成型層數(shù)的增加，當(dāng)已成型層截面面積小于當(dāng)前層截面面積時(shí)，部分應(yīng)力無(wú)法釋放而剩余下來(lái)留在模型中，導(dǎo)致零件懸空位置就容易發(fā)生塌陷、變形等情況[5,6]。因此，在成型過(guò)程中常需要在關(guān)鍵位置（如懸垂位置）添加支撐以提高零件強(qiáng)度以保證其成型的穩(wěn)定性，所以選擇合理的支撐位置、添加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于零件的成型、精度具有十分重要的意義。

目前，基于對(duì)激光增材制造成型要求的提高，人們對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也日益重視起來(lái)，但關(guān)于支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究還處于發(fā)展階段。A M Mirzendehdel[7]等針對(duì)不同類(lèi)型零件設(shè)計(jì)提出了“TO”方法，將增材制造中的支撐結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)出強(qiáng)度較高、重量較小的支撐結(jié)構(gòu)。張國(guó)慶等[8]基于選區(qū)激光燒結(jié)成型模型，采用分塊0°傾斜導(dǎo)熱支撐，有效改善零件的翹曲變形情況。Y Kajima[9]等人在研究支撐結(jié)構(gòu)對(duì)合金性能的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，支撐的添加降低了零件的殘余應(yīng)變，有效地防止燒結(jié)時(shí)形成的變形及微裂紋等問(wèn)題。馬亞雄[10]等對(duì)3D打印過(guò)程中支撐結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成的算法進(jìn)行了研究，并證明了該算法可以減少支撐數(shù)量，提高實(shí)際的打印效率。

上述研究分別對(duì)支撐的類(lèi)型、角度、對(duì)零件的影響以及支撐算法進(jìn)行了研究，但不同支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)到應(yīng)用需要進(jìn)行試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)添加不同支撐結(jié)構(gòu)的金屬零件的成型情況及尺寸精度，這一過(guò)程往往花費(fèi)大量時(shí)間和材料，增加了零件的成型成本。利用仿真軟件模擬激光增材制造的過(guò)程，預(yù)測(cè)擺放方式及支撐結(jié)構(gòu)對(duì)打印零件變形量的影響，可大大減少實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)次數(shù)，及時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高打印精度。因此，本文在設(shè)計(jì)不同零件的擺放方式、添加不同支撐結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助仿真模擬手段對(duì)金屬零件變形情況進(jìn)行模擬研究，進(jìn)一步優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完善金屬零件成型方案。

1 模型設(shè)計(jì)方案

由選區(qū)激光熔化的特點(diǎn)可知，若獲得高質(zhì)量的金屬零件，除了與激光工藝參數(shù)相關(guān)外，與零件的擺放方式及支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也有關(guān)。由于其成型是逐層累積的過(guò)程，每打印一層后刮刀通過(guò)零件鋪上一層新粉，這時(shí)的刮刀可能與零件發(fā)生接觸產(chǎn)生刮蹭，影響鋪粉質(zhì)量及下一層打印，所以選擇零件成型角度時(shí)盡可能減少與刮刀的接觸、減少大截面的出現(xiàn)，引導(dǎo)刮刀平滑地通過(guò)零件。同時(shí)，在保證成型過(guò)程的前提下，添加支撐結(jié)構(gòu)在金屬零件成型中起著至關(guān)重要的作用，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮支撐的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、制造時(shí)間等因素[11]，此外還需要考慮以下幾點(diǎn)：1）支撐添加數(shù)量盡量少且容易剝離；2）確保支撐質(zhì)量，以固定零件；3）以較少的接觸點(diǎn)完成熱量的傳遞，保證零件表面質(zhì)量；4）保留充足的空間以清理支撐之間的粉末。

本文選擇典型的U形模型結(jié)構(gòu)（如圖1所示），模型由左右對(duì)稱(chēng)的側(cè)臂、肋板和一個(gè)橫梁連接而成，并依據(jù)上述要求，沿坐標(biāo)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)得到不同擺放方式并添加支撐結(jié)構(gòu)，具體方案如圖2所示。通過(guò)仿真軟件對(duì)其成型過(guò)程進(jìn)行模擬，采用固有應(yīng)變算法獲得等效應(yīng)力及變形結(jié)果，模擬時(shí)所用工藝參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)

圖2 設(shè)計(jì)方案

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文設(shè)計(jì)打印實(shí)驗(yàn)與前期設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)所用粉末材料為IN718鎳基高溫合金粉末，其化學(xué)成分如表2所列。

表2 IN718粉末成分（wt%）

利用Magics軟件對(duì)零件進(jìn)行切片處理，采用北京易家三維科技有限公司研發(fā)的填充軟件EP-Hatch進(jìn)行填充，并使用該公司生產(chǎn)的EP-M250型號(hào)（如圖3）金屬3D打印設(shè)備進(jìn)行零件成型。實(shí)驗(yàn)件尺寸與仿真模型所用幾何模型尺寸相同，實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)與仿真所用工藝參數(shù)保持一致。

圖3 EP-M250金屬3D打印機(jī)

2 模擬過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 固有應(yīng)變

選區(qū)激光熔化金屬成型是金屬粉末通過(guò)激光高能量密度的熱作用而完全熔化，并經(jīng)過(guò)快速冷卻凝固而成型的過(guò)程。在該過(guò)程中，形成的每條熔道可近似視為一次焊接過(guò)程[12]，因此可以將熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變和相變導(dǎo)致的殘余應(yīng)力及變形問(wèn)題簡(jiǎn)化為固有應(yīng)變算法進(jìn)行計(jì)算。固有應(yīng)變公式如下[13]：

式中：εT為熱應(yīng)變，εP為塑性應(yīng)變，εX為相變。

2.2 模型建立

基于固有應(yīng)變理論，借助仿真軟件對(duì)U形模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為確保仿真精度，網(wǎng)格劃分尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm，如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 應(yīng)力分析

圖5為模型成型后線切割、移除支撐后等效應(yīng)力分布云圖。由圖可知模擬中不同擺放方式及支撐結(jié)構(gòu)對(duì)模型的應(yīng)力影響較大，由圖（a）和（b）可知，未添加支撐結(jié)構(gòu)時(shí)模型產(chǎn)生的應(yīng)力值較大，均超過(guò)850 MPa，受成型方式影響，水平放置時(shí)側(cè)壁處應(yīng)力大于底部橫梁處；而倒立放置時(shí)橫梁處成型截面較大，由于在橫梁懸空位置未加支撐，在線切割時(shí)產(chǎn)生向Z軸負(fù)向的拉應(yīng)力，在梁與側(cè)壁連接處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易使模型發(fā)生變形，導(dǎo)致側(cè)壁向外擴(kuò)張。

圖（c）和（d）均沿X軸正向旋轉(zhuǎn)，減少打印截面面積，移除支撐后，應(yīng)力值有所下降，但由于模型懸垂位置及其他邊緣位置靠近模型邊角，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得該位置處的應(yīng)力值較大，也極易導(dǎo)致模型發(fā)生變形，脫離原始打印方向。

圖（e）和（f）沿Y軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步減小打印截面面積，降低了線切割面積，但是增加了打印高度。由圖（e）可以看出，模型橫梁上表面應(yīng)力小于下表面應(yīng)力值，上表面殘余應(yīng)力在不斷升溫降溫的過(guò)程中得到消除，下表面卻因?yàn)榇蛴∠乱粚訒r(shí)應(yīng)力傳遞導(dǎo)致其殘余應(yīng)力不斷累積，而側(cè)壁位置由于添加了支撐結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力值相對(duì)降低，但模型（e）整體應(yīng)力仍然較大，會(huì)引起較大變形。其原因是：雖然支撐結(jié)構(gòu)提高了模型的強(qiáng)度，但是激光掃描到支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，其對(duì)熔池?zé)崃康膫鬟f遠(yuǎn)小于模型實(shí)體部分，使得熔池變大，增加了新一層金屬粉末的鋪粉量，導(dǎo)致其收縮加大，應(yīng)力也大。由圖（f）可知，向Y軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)135°支撐添加量最少，模型的應(yīng)力值最小，僅為161.03 MPa.

圖5 模型等效應(yīng)力模擬結(jié)果

2.3.2 變形分析

圖6為模型成型后線切割、移除支撐后變形圖。圖（a）、（b）為模型未加支撐時(shí)線切割后變形，圖（c）～（f）模型為線切割移除支撐后的變形結(jié)果。由模擬結(jié)果可知，在無(wú)支撐結(jié)構(gòu)條件下，線切割后無(wú)論是水平放置還是倒立擺放，模型均出現(xiàn)了較大的變形，尤其是兩側(cè)臂位置，導(dǎo)致模型開(kāi)口距離發(fā)生變化。水平放置時(shí)兩側(cè)壁向內(nèi)收縮，單側(cè)收縮量達(dá)到1.81 mm；倒立放置時(shí)側(cè)壁向外擴(kuò)張，零件變形要大于水平放置，最大變形為2.02 mm.

圖6 模型加支撐結(jié)構(gòu)時(shí)擺放方式及模擬結(jié)果

圖（c）、（d）所示為模型向 X 軸正向旋轉(zhuǎn)，減少打印中出現(xiàn)大截面，由模擬結(jié)果可以看出，改變擺放方式并添加支撐結(jié)構(gòu)明顯減小了零件的變形。向X軸正向旋轉(zhuǎn)45°變形（圖c）時(shí)，設(shè)計(jì)了連接開(kāi)口的支撐結(jié)構(gòu)，防止零件線切割后發(fā)生較大變形，但移除支撐后模型兩側(cè)仍有變形，最大變形出現(xiàn)在開(kāi)口位置，為0.63 mm，結(jié)合2.3.1節(jié)中圖（c）可知，移除支撐后仍有較大應(yīng)力，模型受到高應(yīng)力時(shí)易發(fā)生變形；向X軸正向旋轉(zhuǎn)90°變形（圖d）時(shí)，在側(cè)壁出添加支撐結(jié)構(gòu)，由于支撐在基板上的面積相對(duì)較大，在打印時(shí)對(duì)模型的支撐強(qiáng)度較高，在移除支撐后變形略有降低，為0.42 mm.

支撐結(jié)構(gòu)的添加明顯改善了模型的變形情況，但是要考慮打印后支撐移除，在移除過(guò)程中也會(huì)對(duì)零件變形產(chǎn)生影響。圖（e）和（f）沿Y軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)，減小打印截面以及線切割面積，但是圖（e）在移除支撐后變形量高達(dá)0.58 mm，結(jié)合2.3.1節(jié)中圖（e）分析，當(dāng)激光掃描到懸垂位置時(shí)產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，且由于自身的形狀特點(diǎn)導(dǎo)致其剛度較差，在移除支撐過(guò)程中受到較大的外力而發(fā)生變形。而圖（f）中的應(yīng)力較小，同時(shí)其支撐數(shù)量少，打印截面積小，在移除支撐過(guò)程中受到的外力較小，所以變形最小，為0.11 mm.

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)模擬結(jié)果，選擇第1節(jié)添加支撐結(jié)構(gòu)的方案（c）、（d）、（e）、（f）進(jìn)行實(shí)際選區(qū)激光熔化成型，為比較不同支撐結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)所得的變形結(jié)果，在模型兩側(cè)側(cè)臂相同位置上選取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量模型變形情況如圖7所示，得到如圖8所示的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。

由圖8可知，模擬預(yù)測(cè)結(jié)果較好，與實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的變形趨勢(shì)吻合。由方案（c）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，模型沿側(cè)臂由下而上向內(nèi)收縮，由于方案（c）添加了連接開(kāi)口的支撐結(jié)構(gòu)，在模型成型時(shí)側(cè)臂受到向內(nèi)的拉力，所以出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，與模擬結(jié)果一致；方案（d）與方案（e）模型側(cè)臂都出現(xiàn)自下向上向外擴(kuò)張現(xiàn)象，方案（d）向X軸正向旋轉(zhuǎn)90°并加水平支撐，支撐強(qiáng)度較大，降低了變形量，方案（e）向Y軸負(fù)向旋轉(zhuǎn)90°，雖然這種方案避免成型過(guò)程出現(xiàn)較大的截面，提高零件成型率，但是支撐結(jié)構(gòu)較多，增加了移除工作量以及移除支撐時(shí)導(dǎo)致的變形風(fēng)險(xiǎn)；方案（f）中的變形量最小，與模擬結(jié)果相符，表明其擺放方式及添加的支撐結(jié)構(gòu)最佳，進(jìn)一步說(shuō)明通過(guò)仿真模擬預(yù)測(cè)金屬零件變形的方式有效可行，對(duì)于實(shí)際金屬零件成型具有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)仿真軟件模擬選區(qū)激光熔化金屬零件的制備過(guò)程，得到不同擺放方式及支撐結(jié)構(gòu)對(duì)金屬零件殘余應(yīng)力及變形情況的影響。并得到以下結(jié)果：

（1）金屬零件選區(qū)激光熔化成型過(guò)程中，合理的設(shè)計(jì)擺放位置避免出現(xiàn)較大截面，保證成型質(zhì)量；優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)，控制添加位置及數(shù)量可有效控制零件變形量，提高金屬成型精度；

（2）模擬仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，通過(guò)仿真模擬結(jié)果獲得優(yōu)化方案，這一手段大大減少了反復(fù)實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，避免材料消耗，降低生產(chǎn)成本，為實(shí)際中的金屬零件成型設(shè)計(jì)提供了一種有效的方法。