高強(qiáng)度鋁合金構(gòu)件SLM工藝仿真要點(diǎn)分析*

李 笑，巫曉莉，張 明，王 哲，孫 明

1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190

2.中國空間技術(shù)研究院神舟學(xué)院，北京 100086

3.湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425199

1 研究背景

隨著《中國制造2025》的提出，智能建造在建筑行業(yè)成為熱點(diǎn)。鋁合金作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性能好、維護(hù)費(fèi)用低、可塑性強(qiáng)、可循環(huán)利用、適用于增材制造的材料[1]，已經(jīng)在大型客機(jī)和民用航天等高精尖制造領(lǐng)域得到應(yīng)用，也為建筑中復(fù)雜異型構(gòu)件的制造提供了新的解決方案。

增材制造又稱“3D打印”，是一種新興的制造成型技術(shù)。其原理是以數(shù)字模型技術(shù)為基礎(chǔ)，利用高功率密度的移動熱源，將粉末或絲狀的原材料進(jìn)行逐層堆積或定點(diǎn)修復(fù)，并制造出物品實(shí)體[2]。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段相比，增材制造過程無需模具、材料利用率高、可快速形成復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，除了精密的機(jī)械金屬構(gòu)件，還可以將不規(guī)則的異型建筑構(gòu)件，尤其是雕龍畫鳳的仿古建筑構(gòu)件一次成型生產(chǎn)出來。激光選區(qū)熔化工藝（Selective Laser Melting,SLM）在獲得高致密度和高精度構(gòu)件方面具有突出的優(yōu)勢，成為研究的熱點(diǎn)。

2 SLM概述

SLM工藝是在流動的惰性保護(hù)氣體中依據(jù)構(gòu)件截面的幾何信息，通過高功率激光沿設(shè)定的掃描路徑熔化預(yù)先鋪好的金屬粉末，層層堆疊直到構(gòu)件加工完成。粉末吸收激光熱量融化，同時液相黏度降低，使得金屬液體有足夠時間進(jìn)行鋪展，減少冶金缺陷，提高構(gòu)件的綜合性能。

因此，SLM被廣泛應(yīng)用于尖端領(lǐng)域復(fù)雜合金零件的制造，如薩瑞衛(wèi)星公司研制的鏤空式框架結(jié)構(gòu)衛(wèi)星，是成形精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件領(lǐng)域最具潛力的增材制造技術(shù)之一，但存在以下幾個顯著問題。

（1）制造易產(chǎn)生缺陷。SLM是一個涉及移動熔池、快速非平衡凝固、固態(tài)相變的復(fù)雜冶金過程，具有非線性、非穩(wěn)態(tài)、長歷程、熱力及流固耦合的特征[3]，制造過程中產(chǎn)生的大量熱應(yīng)力致使構(gòu)件發(fā)生失效、翹曲、開裂等問題。

（2）質(zhì)量控制方法性價比低。SLM構(gòu)件的質(zhì)量控制方法是通過對加工過程進(jìn)行數(shù)字圖像的多片拍攝，將這些圖像與設(shè)計(jì)模型的切片進(jìn)行比較。但這種方法需要大量的“試錯”，構(gòu)件制造一次成功的概率非常低，極大地浪費(fèi)了材料、時間以及勞動力。

（3）數(shù)值模擬方法實(shí)用性差。為了深入理解SLM過程，金屬激光增材制造的數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前，數(shù)值模擬SLM過程的方法類似于模擬焊接過程，主要分為兩類。一類是基于有限單元法或有限體積法求解SLM過程中的溫度場、變形/熱應(yīng)力分布以及熔池內(nèi)流場。采用這類方法模擬SLM過程時，網(wǎng)格尺寸必須小于粉末層厚度，模擬宏觀尺度的SLM過程會造成極高的計(jì)算成本。另一類是基于固有應(yīng)變方法的預(yù)測，即不考慮熱循環(huán)過程，在結(jié)構(gòu)中施加與固有應(yīng)變相等的初始應(yīng)變，通過純彈性有限元分析求解整個結(jié)構(gòu)的變形。這種算法需要在有限元分析、實(shí)驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立龐大的固有應(yīng)變庫。因?yàn)閷缀文Ｐ碗x散采用層切的方式，且每一層為六面體單元，所以當(dāng)幾何模型為薄壁、細(xì)桿或復(fù)雜曲面等結(jié)構(gòu)時，離散后的模型與原始模型會產(chǎn)生嚴(yán)重的偏差。

鑒于以上問題，考慮SLM是一個跨空間與時間尺度的過程，為了精確、有效地實(shí)現(xiàn)真實(shí)構(gòu)件（宏觀尺度）的SLM制造過程仿真，必須選擇一種合適的計(jì)算方法。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

李昊等[4]采用ANSYS建立了金屬粉末SLM有限元分析模型，研究了掃描策略和粉末組分對溫度場和應(yīng)力場的影響。李雅莉[5]采用ANSYS建立了鋁合金在SLM過程中熱-應(yīng)力順序耦合有限元模型，研究了激光功率與掃描速度對殘余應(yīng)力分布規(guī)律的影響。戴東華等[6]研究了不同工藝參數(shù)條件下熔池表面的溫度場及熔池中W顆粒周圍熔體流場和受力情況。余冠群[7]針對AlSi10Mg粉末SLM過程，建立了介觀尺度下的顆粒熔化/凝固有限體積模型。K?rner等[8]建立了基于LBM法的自由表面流體流動數(shù)值模型。

已有的仿真計(jì)算為研究SLM過程在微-介觀尺度下的基本物理表現(xiàn)提供了很多的幫助。然而，模擬真實(shí)構(gòu)件的SLM制造過程依然面臨很多挑戰(zhàn)，主要如下：

（1）為實(shí)現(xiàn)真實(shí)的制造過程模擬，一些商業(yè)軟件公司開發(fā)了基于固有應(yīng)變的SLM仿真技術(shù)，但不同結(jié)構(gòu)不同位置的固有應(yīng)變僅可能近似獲得，而且在建模時，與形狀相關(guān)的幾何信息被嚴(yán)重地簡化。目前尚沒有基于有限單元法跨尺度的預(yù)測真實(shí)構(gòu)件的SLM過程的研究結(jié)果。

（2）在熔池周圍的區(qū)域會快速產(chǎn)生高溫度梯度，導(dǎo)致材料在最終的熱處理之前表現(xiàn)為各向異性的性能。目前的研究忽略了材料的各向異性所導(dǎo)致的構(gòu)件的性能差異。

（3）利用SLM生產(chǎn)復(fù)雜幾何的產(chǎn)品時，往往需要在產(chǎn)品的幾何構(gòu)型以外添加支撐結(jié)構(gòu)，以減小產(chǎn)品在制造過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力及變形。支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理直接影響最終的產(chǎn)品性能，但還沒有針對支撐結(jié)構(gòu)的SLM過程仿真的研究。

綜上所述，目前的SLM過程數(shù)值模擬技術(shù)多局限于微-介觀尺度或簡單幾何的零件，要想建立適用于真實(shí)構(gòu)件的SLM制造過程的仿真技術(shù)，還需要進(jìn)一步研究更為合理的數(shù)值計(jì)算方法及模型。

4 SLM仿真要點(diǎn)

4.1 使用路徑網(wǎng)格交叉法計(jì)算

路徑網(wǎng)格交叉法（Toolpath-Mesh Intersection）于2017年提出，其基本原理是激光掃描路徑可以“穿過”有限元網(wǎng)格，基于當(dāng)前粉末層的高度計(jì)算任意時刻被“穿過”單元的部分單元體積。仿真開始前，實(shí)際的打印信息（包括激光功率、掃描路徑/速率等）被重新編譯為基于有限元網(wǎng)格的時間序列。計(jì)算開始后，每一個增量步基于時間序列計(jì)算在當(dāng)前增量步的掃描時間內(nèi)的SLM過程。

基于這種算法，可以利用自由網(wǎng)格離散復(fù)雜幾何的構(gòu)件，同時不受層切的約束，從而使有限元模型更為精確地逼近原始幾何模型。在計(jì)算中，可以精確追蹤真實(shí)的掃描路徑和鋪粉過程，單元的部分體積積分使“粉-液-固”的計(jì)算過程不再局限于劃分網(wǎng)格的激活。這種算法為基于有限元方法跨尺度的SLM過程計(jì)算提供了可能，計(jì)算中網(wǎng)格的數(shù)量可以兼顧考慮計(jì)算精度和成本，且不用簡化真實(shí)制造過程中數(shù)萬層的切片。

4.2 支撐結(jié)構(gòu)均勻化等效

為了更真實(shí)地模擬實(shí)際構(gòu)件的制造過程，考慮在數(shù)值模型中將支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效處理。通過特殊的單拉試件厘清支撐結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)與強(qiáng)度之間的關(guān)系，通過RVE模型推導(dǎo)出與溫度相關(guān)的支撐結(jié)構(gòu)等效導(dǎo)熱系數(shù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在SLM制造過程中，材料表現(xiàn)為各向異性的性能，考慮采用與溫度相關(guān)的Hill模型模擬SLM過程。通過不同打印方向試件的拉伸/剪切實(shí)驗(yàn)，確定模型參數(shù)。在不同應(yīng)力狀態(tài)下對比仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，驗(yàn)證材料模型。

選取合適的網(wǎng)格尺寸對真實(shí)構(gòu)件進(jìn)行離散，進(jìn)行SLM過程仿真。對比預(yù)測結(jié)果與測量結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化仿真模型。基于不同方向的構(gòu)件SLM過程仿真，給出構(gòu)件最優(yōu)化的SLM制造方案。

5 結(jié)束語

文章基于路徑網(wǎng)格交叉法，實(shí)現(xiàn)了有限元模型的整體優(yōu)化，完成了SLM過程模擬的跨尺度計(jì)算，并直觀地求解增材制造過程中所涉及的溫度、熱應(yīng)力、變形等問題，揭示了產(chǎn)品的幾何特征、工藝參數(shù)、制造過程的匹配與結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)性，為解決增材制造全尺寸產(chǎn)品的應(yīng)力分析、變形控制提供了重要的理論支持和工藝指導(dǎo)。