NRC测试新型金属3D打印多尺度数值模拟方法，可提前预测成形缺陷

导读：随着工业 4.0（第四次工业革命）利用先进的数字技术重塑制造业，设计和制造金属汽车零部件的新方法也不断涌现。然而，采用这些现代化工艺也面临诸多挑战：零件质量不稳定、打印失败造成的材料浪费，以及高昂的机器维护和后处理成本。

2025年8月5日，南极熊获悉，加拿大国家研究委员会 (NRC)汽车和地面交通研究中心的研究人员正在使用先进的数值模拟技术来提前发现增材制造（AM）过程中潜在的制造问题，以便于在零件生产开始之前制定解决方案。

△使用LPBF工艺制造的Inconel 718测试样品。打印过程中的翘曲和分层导致部件翘起并从打印平台上脱落，最终导致打印失败（起翘问题已通过调整工艺参数得到解决）

更快地设计更好的零件

每年，汽车、火车、飞机和轮船都会生产数百万个金属零件。每个零件在投入生产之前，都要经历漫长而昂贵的研发、设计、原型制作和测试过程——所有这些都面临着以更快的速度、更低的成本交付更高质量产品的压力

增材制造能够制造出坚固、轻量化且具有复杂几何形状的零件，而这是传统方法无法实现的。虽然增材制造具有降低成本和减少环境影响的潜力，但广泛应用仍面临诸多挑战，尤其是需要消除反复试验，按需或大规模生产经济高效的零件，并缩短上市时间。数值模拟使制造商能够虚拟测试设计和工艺流程，从而应对这些挑战。

△使用零件比例模型对带支撑结构的双悬臂进行模拟的结果。可视化结果显示了打印过程引起的变形（顶部），以及移除支撑结构后的形状（中间和底部）。

NRC 的建模与仿真研究团队在工业流程建模、仿真和优化领域处于领先地位。近期，研究团队致力于解决激光粉末床熔融（LPBF）技术的关键挑战，LPBF是最广泛使用的金属3D打印方法之一。

在LPBF工艺中，激光束会熔化平台上一层薄薄的金属粉末。这一过程逐层重复，将材料熔合在一起，直至最终部件成型。尽管LPBF工艺功能强大，但其推广应用仍面临诸多障碍，尤其是在制造过程中容易出现缺陷，以及难以满足设计规范和公差要求。

Yohann Vautrin 博士说道：“为了解决这些问题，我们开发了一种快速准确的 LPBF 数值模拟方法，可以预测可能出现缺陷的位置。我们先进的仿真软件可以预测金属部件在打印过程中和打印后的性能。这使得公司能够在生产前调整设计或打印参数，从而节省时间和资源。METALTec工业研发团队的 NRC 合作伙伴可以获得机密的研发成果和定制的研究支持。“

△YohannVautrin 博士展示采用 LPBF 工艺制造的部件。LPBF的数值模拟结果显示在电脑显示器上。

通过模拟，公司可以调整设计或调整打印参数，而无需进行任何打印。这可以节省大量的时间、材料和金钱。Yohann补充道：“我们希望这将加速金属增材制造在加拿大的应用。”他还强调，通过NRC的METALTec工业研发团队与合作公司不仅可以获得机密的研发成果，还可以与研究团队联系，后者可以根据客户要求开展具体的研究。

本项目由蒙特利尔理工学院、康考迪亚大学和麦吉尔大学合作开发，融合了跨时间和长度尺度的专业知识。多尺度方法通过策略性地牺牲精度以换取速度，使LPBF工艺的全部件模拟能够在几分钟内完成，而无需耗费几天或几周的时间。该方法首先构建一个微尺度模型（约100微米），能够提供高精度的物理表征，但需要大量的计算资源。然后，构建一个中尺度模型（约1毫米），利用这些数据以简化的方式模拟激光在粉末中的移动。最后，构建一个部件尺度模型，结合这些信息，快速模拟整个工业部件的打印过程。

研究团队从零开始，证明了这种多尺度方法可以解决现实世界的制造问题。虽然还需要进一步研究才能将其转化为可立即使用的工具，但目前的结果令人鼓舞。

未来，这种方法可以带来更智能的功能，如自动设计优化、近净成形打印的几何补偿以及与数字孪生和实时监控系统的集成——所有这些都将使金属 3D 打印更加可靠和高效。

△由Kalonji Kabanemi 博士、Yohann Vautrin 博士和 Jean-Philippe Marcotte 组成的 NRC 项目团队在魁北克省布谢维尔的办公室讨论另一个项目的模拟结果。

本项目获得了 METALTec 成员机构、CRITM 和 NRC 先进制造集群支持计划的 114 万美元资助，并培训了八名以上高素质人员。随着 NRC 不断改进仿真工具并与产业界和学术界开展合作，项目支持金属增材制造技术在加拿大的应用，助力通过创新塑造交通运输的未来。