案例展示金属增材制造过程仿真分析(上篇）

作者：郭鹏伟  安世中德增材应用工程师，目前从事金属增材工艺仿真、增材设计等工作。

随着金属增材制造技术的不断深入应用，如何提高制造质量、制造效率，降低制造成本，成为人们关注的焦点。利用仿真分析工具，开展金属增材制造过程分析，可以有效帮助企业快速固化不同零件的成形工艺，提高零件的成形质量和效率，降低零件生产周期和废品率。

宏观尺度增材制造过程仿真分析
宏观尺度增材过程仿真分析，包括如何借助仿真分析工具，进行构件的快速摆放设计、支撑优化、结构优化、变形补偿，以及热处理过程的仿真分析优化。

-借助仿真分析实现构件快速摆放
某汽车悬架系统控制臂，在实际成形前，基于ANSYS Additive Print增材仿真分析软件进行不同摆放方式下快速仿真分析，确定最佳摆放方式。图1为控制臂的三种摆放方式，图2为计算变形结果。

图1 控制臂不同摆放方式

图2 三种摆放方式下变形对比

对比三种摆放方式（如表1所示）的计算变形结果以及支撑面积、支撑体积、成形高度，可以选择最适合客户要求的摆放方式。构件摆放方式直接决定着构件可否成功成形以及成形质量、时间、成本，对于复杂构件，仅依靠工程师的经验很难快速确定最佳摆放方式，往往需要借助工艺试错实验来确定，不仅给企业添加额外制造成本，而且大量延长了产品研发、生产周期。利用仿真分析，从构件变形、应力分布、支撑添加量、成形时间等因素综合对比，可以帮助工程师快速实现构件最佳摆放方式的确定。

表1 三种摆放方式综合对比

-仿真分析优化支撑结构
工艺支撑（支撑、约束、散热作用）既要保证构件成形质量，又要容易去除，且支撑内部粉末要容易回收，避免原料浪费。因此，对于激光粉末床熔化成形工艺过程，支撑结构的设计和优化极其关键。现阶段支撑结构优化手段匮乏，主要依靠工艺试错试验，所以往往耗时、耗力、耗材。基于增材仿真分析进行支撑结构优化，可以避免反复的工艺试验过程。

以某零件支撑设计为例，该零件由拓扑优化设计而成，结构较复杂，薄壁、细小连接杆件、孔结构以及悬垂结构较多（如图3a、b所示），对支撑设计要求较高，需要进行合理优化。因此，在最初支撑设计的基础上，利用ANSYS Additive Print仿真分析软件预测构件变形、应力分布，基于预测结果，进行相应的支撑再优化，实现较佳的支撑设计（如图3c、d所示），确保了零件的高质量成形。

图3 某零件仿真分析优化支撑结构

-借助仿真分析实现构件结构优化
激光粉末床熔化成形工艺具有自身独特的制造特征约束，包括工艺、材料性能以及结构特征约束（如表2所示）。目前拓扑优化软件很难完全考虑制造约束，拓扑优化结果直接成形（或者其他类非面向增材设计零件）往往需要添加大量的工艺支撑，而且薄壁结构、细小连接杆件等增加了成形风险。因此，需要对结构再次进行基于增材制造约束的优化设计，经过优化设计，悬垂面减少，成形时支撑添加量减少，薄壁特征、细小连接杆件等特征也得到优化，成形成功率提高，制造成本也将明显降低。

表2 激光粉末床熔化成形制造约束

以某零件为例，通过对设计结果进行增材仿真分析，进行结构的重新优化设计，变形风险明显降低（如图4所示）。

图4 某零件拓扑优化结果再优化设计

-变形补偿提高成形精度
金属增材制造构件热变形很难避免，通常控制手段包括支撑约束、工艺参数优化等。热变形对于构件成形质量影响较大（对于精度要求超过工艺制造精度，必须依靠后处理机械加工来保证），对于某些对装配要求较高的构件，一定程度热变形失真可能直接导致零件报废。

图5 某零件变形补偿模型

借助仿真软件分析，自动输出变形补偿模型（如图5所示），以变形补偿模型做为实际成形原文件，可以有效提高构件成形精度。

-增材制造后处理-热处理仿真分析优化
金属增材制造成形快速的凝固过程，可以得到较为细密的微观组织结构，然而，由于其“先天”的工艺特征，成形构件残余应力、成形材料内部气孔缺陷很难避免。通常情况下，金属增材制造成形材料具有“高强低塑”特征，且部分合金材料在快速凝固过程中强化相来不及析出（第二相析出强化机制），因此成形后材料塑性或强度指标需要通过热处理进一步改善。

热处理作为金属增材制造较为重要的后处理组织性能调控环节，可以有效的提高成形材料综合力学性能以及消除材料内部缺陷。利用仿真分析工具，对增材制造热处理进行仿真分析，可以达到优化热处理工艺参数的目的。

图6 870℃保温2小时，热处理结果

未完，《案例展示金属增材制造过程仿真分析（下篇）》将通过案例展示微观尺度增材制造过程仿真分析，敬请关注。

—作者—
郭鹏伟
安世中德增材应用工程师，目前从事金属增材工艺仿真、增材设计等工作。