如何利用仿真技术克服激光粉床熔融的挑战？看完这3个生产实例你就懂了！

来源： Oqton

激光器数量越多意味着功率越高、打印速度越快、单个零件成本越低， 至少这是对具有两台、三台、四台甚至十二台激光器的新一代激光粉床熔融 (LPBF) 设备的主要期望。但是，大幅增涨的能量输入其实存在意想不到的挑战。如何识别这些挑战，又该如何利用仿真技术应对呢？

热仿真技术应对激光粉床熔融的挑战
LPBF 是一种增材制造 (AM) 工艺。这种工艺中，将激光束作用于金属粉末，一层一层地打印出零件。为了提升设备生产速度，打印机生产商开始增加更多的激光器，这将导致零件过热、收缩以及微观结构和力学性能等材料特性发生变化的风险增加。有时，即便零件肉眼检查是正常的，在实际使用时却会出现裂纹或其他失效。

使用含四台激光器的设备可能会导致马氏体时效钢（以下简称模具钢）严重过热，这一点可通过变色看出。

为了排除使用激光选区熔融打印可能的失败，制造商可以对整个过程进行数字仿真。通过热仿真，可以研究增加激光器数量的后果，并预估它们对零件质量的影响。

目前， 热仿真着重处理单个零件，研究支撑结构或零件本身是否足以将热量输送到基板上。不过，为了准确预测单个零件的温度，需要知道整个任务的打印速度。即使两个零件之间未传递任何热量，但是仍然需要考虑真实的打印设置，这一点至关重要。


Amphyon赋能激光熔融工艺
仿真软件 Amphyon 采用两阶段法来实现对激光选区熔融工艺的精确仿真。

首先，Amphyon 根据激光器的数量、激光功率、扫描速度、铺粉时间等参数计算出打印速度。然后，Amphyon 通过热学有限元分析来预测绝对温度。在这种情况下，不计算熔化温度以上的峰值，因为该数值并不相关。相反，需要知道的是在开始扫描下一层之前的零件环境温度。如果某一层生成的温度过高，Amphyon 可以计算出冷却所需的时间，最终节省打印时间。

让通过三个生产实例，为您展示如何借助仿真来避免过热。这三个实例是基于工程师在激光选区熔融中遇到的真实场景。

实例 1：单激光设备与四激光设备
您可能会认为，单激光设备与四激光设备之间的唯一区别就是功率不同。但通过仿真发现，此过程远比表面上看到的情况复杂。

针对用模具钢制造模具进行的热仿真显示，在一台设备上再增加三台激光器将会显著提高温度峰值。使用单激光器设备制造的零件，其温度峰值约为 162°C (324°F)；使用四激光器设备后，零件温度峰值达到 351°C (664°F)。

当温度如此高的钢材迅速冷却到室温时，会变成马氏体，这是一种既硬又脆的铁碳固溶体。这种材料的表现也是不同于其他材料的。

在本例中，通过仿真发现，使用更多的激光器会改变零件的质量以及零件在后期加工和最终应用中的表现。

通过仿真，可以比较单激光器设备和四激光器设备在打印此大型零件时达到的温度峰值。

实例 2：单个零件与满版打印
正如热仿真所示，打印平台上的零件数量会显著改变零件的温度和质量。

为了研究这一现象，将放置九个零件的打印平台和仅一个零件的打印平台进行对比。这些零件均采用相同打印设置，在同一台设备上用 316L 不锈钢制造。温度峰值的差异相当显著：排版多个零件后的温度峰值为 248°C (478°F)，而单个零件的温度峰值高达 658°C (1216°F)。

测试表明，单个零件的打印不能代表排版多个零件的生产环境。据此可推，不应该假设零件的质量完全一致，因为温度升高会导致进一步的热变形和收缩，从而产生不同的材料性能。

排版多个零件和单个零件的仿真实例可以看出，温度峰值的差异相当显著。

实例 3：不同高度的零件

用八根拉力试棒围绕一个 TC4 零件进行了仿真。虽然拉伸棒从未超过 325°C (617°F)，但零件本身却过热了，其上部区域达到 600-700°C (1112-1292°F) 的温度,根本原因在于上部区域每层打印面积的减少导致了打印速度的加快。打印速度的加快则会导致散热的时间不一样。而温度的差异会导致零件和拉伸棒的材料性能发生变化，即使它们是在同一任务中制造的。

这项经验也适用于其他生产任务中。零件的高度与拉力试棒不同，导致了温度峰值的差异。要确定准确的温度峰值，最好对该过程进行仿真。

对零件和拉力试棒进行的仿真表明，虽然拉力试棒的温度不超过 300℃，但实际零件的上部区域已经过热，温度高达 600-700℃。

这三种情况是工程师在使用激光选区熔融技术时经常遇到的场景。Oqton堃腾的 Amphyon软件可通过精确的打印速度分析和热仿真，包含实现热稳定打印的自适应方法，帮助工程师避免零件制造过程中出现的意外问题。

Oqton 堃腾
Oqton（堃腾）聚焦运用AI人工智能、云计算技术研发智能自动化制造解决方案，赋能制造企业提高创新和效率。旗下Manufacturing OS连接工程设计和生产现场制造，为制造企业提供全组织完整可追溯性和可见性。 Geomagic、3DXpert 和 Amphyon软件在逆向工程、三维检测、有机设计、3D 打印及成型仿真模拟方面协助制造企业快速连接分布式工程和生产任务、完成复杂工程和生产任务。