通过仿真来管理3D打印的预期

今天的许多飞机零部件都是用3D打印制造的，而无论采用何种技术，确保它们的质量都非常重要。虽然3D打印号称具有巨大的潜力，但是确保打印质量和知道如何达到期望的质量仍值得研究的。

仿真可以帮助到这一点，因为它可以模拟激光融化金属的过程并证明所得部件的价值。这不仅能降低3D打印的失败率，还有助于提高零部件质量并缩短使用者的学习时间。

目前，很多制造商不清楚如何考虑材料的特性，以及这些特征会怎样影响最终产品或其加工性能，所以大多数时候，他们只能通过不断尝试才能得满意的打印结果 — 这必然会增加无谓的金钱、时间、材料和人力成本，显然不是最佳的发展方式。

仿真，涉及到粉末材料在激光烧结过程中的行为预测，以及不同的材料性能对产品的影响。

当然，除了材料的特性，当前不同的增材制造设备其细节上的工艺也有不少差异，建模和仿真的挑战是捕捉来自特定制造商的独特性。从质量和认证的角度来看，仿真软件需要配合不同的设备基于物理的可量化的机器参数，建立数据档案。其他的因素，包括粉末后处理变异影响增材制造结果的性能亦需要考虑进来。

这带来了仿真的复杂性。相对来说实现增材制造建模需要达到的几何形状是比较简单的，难度在于实现那些尤其是航空航天领域非常严格的性能标准，包括强度和疲劳性能。

仿真软件自身也需要不断地优化，这需要联合整个增材制造生态系统，仿真软件需要与机器制造商合作，以获得设备的物理参数权利；需要与材料供应商合作，以保证材料科学指标是正确的；需要与测试专家合作，以确保正在测试的零件是正确的；需要和与用户合作，以确保得到更多的预测结果与实际效果之间匹配的权利。根据所有的材料、设备和产品的关键信息，预测如何改变材料，机器和建模。仿真最终的目标是为了使人们不需要交“学费”，将设备当成试验品，仿真的目的是不浪费时间和金钱，避免错误发生。

仿真，的确是个大数据的活儿

拿增材制造仿真软件3DSIM来说，软件需要预测在粉末的特性对产品性能的影响，并确定哪些零件需要严格控制粉末以达到最高性能。严格的规格要求更精确的材料测试，这增加了制造商的成本，越严格的要求对应着越昂贵的测试成本，通过仿真对材料属性在增材制造过程中发挥的作用，减少昂贵材料的浪费，以及避免试验不通过的材料情况发生。

一旦零件的几何形状被建模，仿真软件可以用来预测有代表性的激光扫描路径。模拟得到激光及其与材料的相互作用模型。该模型提供了材料在激光作用下从粉末变成液态再到凝固的科学描绘，模型模拟了粉末在粉末床上被加热、能量的爆破、熔化和快速冷却凝固过程，每一层的构建由此类推。

一旦建立层的扫描策略，模拟仿真可以提供该层准确的温度历史，这种历史可以用来预测材料的晶体结构、孔隙度、变形和残余应力。仿真数据基于设备和材料的物理因素，包括粉末材料的堆积密度，激光能量吸收特性和热传导率。

通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

两种不同加工参数下的温度轮廓

拿3DSIM来说，软件设计基础是通过对超过1000种不同的材料组合性能特点的了解，了解材料的组合对零件哪些方面有较大的影响，从而得到一些有趣的结果，来帮助确定材料特性和熔池宽度以及深度之间的关系，通过精确地模拟熔池宽度和深度，可以直接预测零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。

仿真显示不同的激光扫描方向带来的不同的表面粗糙度结果

其中一个难点是不同材料如何吸收激光能量，这之间的区别是什么样的。很多人都知道这个属性是很重要的，但是要通过开发新的实验来准确而快速地测量这个属性是很难的，这是体现仿真软件可靠性的一个衡量因素。

仿真需要考虑材料的熔化和凝固点。通常情况下，当用户购买粉末的时候，并不注意粉末熔化温度有多快。通常只考虑大小、形状、粒度分布、化学特征。

Supercooling-超冷（或极速冷却），是很少讨论的话题。但是，在增材制造过程中，冷却实际上发生的非常快，通常在超高速（几微秒）的情况下，熔体温度就降低几百度从而凝固。如果温度没有达到，材料实际还是软的，因为凝固不充分。所以仿真不仅仅需要考虑熔点，还需要考虑凝固点。如果没有考虑凝固点，在凝固不充分的情况下，仿真结果的真实性往往会偏离40％。

通过仿真来确定支撑结构

总体来说，3D打印专用的的仿真软件依然是一个全新的领域，而在其中，仿真将是管理预期的一种重要手段。它可以在设备运转之前告诉制造商可以做什么，怎样设置支撑，怎样得到优化的结果。所以可以说，仿真产生的洞察和理解，减少了制造商的痛苦和不可预知的故障。

转自3D科学谷