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FLOW-3D AM增材制造工藝優化解決方案

增材制造,也被稱為3D打印,是一種用金屬粉末或金屬絲一層一層地制造零部件的方法。增材制造技術不需要傳統刀具等多道加工工序,可快速精密的制造出任意復雜形狀的零部件,從而解決復雜結構件的成型問題,并極大的減少加工工序,縮短加工周期。作為第三次工業革命的代表技術之一,人們對增材制造工藝興趣大增,而新一輪的全球制造業競爭極可能是3D打印與高端裝備的競爭,因此AM(增材制造)技術的應用將直接影響制造業的發展趨勢。


AM技術廣泛應用于航空航天、醫療、工業模具等領域,其中金屬增材制造技術是目前發展最快,應用前景最好的技術之一,如航空領域的大尺寸金屬航空零部件直接制造與組織結構一體化制造。目前金屬增材制造技術的應用也面臨一些問題,如加工強度不夠,殘余應力等,如何將先進的金屬增材制造技術高效應用于實際的工業制造與生產過程是提高制造業競爭力的關鍵。

隨著計算機技術與仿真分析技術的長足發展,在實際加工前利用先進的數值仿真方法進行金屬增材制造過程分析是非常必要的,可為金屬增材制造工藝過程優化提供理論分析基礎與支撐。金屬增材制造的工藝過程復雜,涉及多物理現象的仿真計算,如計算流體力學、熔池動力學、顆粒力學、多相流體力學等。要準確模擬金屬增材制造工藝過程,首先需要建立完備先進的多物理模型,基于先進的網格生成技術與求解算法,從而進行金屬增材制造工藝過程的快速仿真與優化。


1、金屬增材制造數值仿真方案介紹
基于上述金屬增材制造過程的仿真特點,采用傳統的數值仿真分析技術無法準確高效的捕捉金屬增材制造工藝過程關鍵特征,本文將介紹一種專業的金屬增材制造仿真工具FLOW-3D AM。 

FLOW-3D AM是一款專業的金屬增材制造仿真軟件,其多物理性能提供了金屬增材制造過程中對粉末擴散和壓實、熔體池動力學、L-PBF和DED的孔隙形成、粘合劑噴射工藝的樹脂滲透和擴散的高精度模擬,用于分析和優化AM工藝參數。

針對金屬增材制造過程的仿真難點, FLOW-3D AM專業的物理模型和先進的求解器與網格技術可快速解決以上技術問題:
  • FLOW-3D AM完備的多物理模型:FLOW-3D AM物理模型包括DEM離散元模型,WELD熱源模型,WELD多重反射模型,WELD保護氣體模型,WELD熔池與匙孔傳熱模型,傳熱凝固模型,氣泡和相變模型,表面張力模型,黏度和紊流模型,VOF自由液面模型等,可準確高效的建立金屬增材制造工藝過程的多物理模型。
  • FLOW-3D AM先進的網格技術:FLOW-3D AM采用矩形網格與FAVOR網格技術可準確表示幾何形狀,易生成網格且不受幾何結構運動或變化的影響,可快速建立仿真所需的網格模型。
  • FLOW-3D AM 高效的求解功能:FLOW-3D AM求解器基于有限差分法,利用GMRES解算器進行控制方程的求解,可快速、更高效的進行金屬增材制造過程的仿真計算,且支持高性能并行仿真。
2、多物理模型介紹
多物理模型的建立是準確模擬增材制造過程的重中之重,FLOW-3D AM包含增材制造過程涉及的相關物理模型,包括WELD、DEM以及其他相變等相關物理模型。

2.1 FLOW-3D AM-DEM離散元模塊
DEM是分析多種實體單元碰撞運動的有效方法,可模擬顆粒碰撞與顆粒間的相互作用,與流動分析結合應用于各個領域。
DEM模塊可在圖形界面計算顆粒彈性系數;設置顆粒之間 / 顆粒與壁面碰撞的恢復系數;允許接觸的顆粒重疊;粗粒化處理(簡化計算顆粒數);設置顆粒靜動摩擦系數、壁面靜動摩擦系數;考慮顆粒吸引力等。

2.2 FLOW-3D AM-WELD模塊
WELD模塊包含多種增材制造過程設置模塊,包括熱源與熔池模擬等相關模型,如下表1所示:


2.3 FLOW-3D AM-其他物理模型
除以上介紹的DEM與WELD模型外,FLOW-3D AM具備其他增材制造工藝過程涉及到的其他多物理模型,如下表2所示:


3、應用案例介紹

目前金屬增材制造工藝主要包括激光粉床融合(L-PBF)、黏結劑噴射和定向能量沉積(DED)等,FLOW-3D AM自由曲面跟蹤算法及其多物理模型可以高精度地模擬上述工藝過程,包括鋪粉、熔池動力學、L-PBF和DED的氣孔形成、黏結劑噴射工藝的樹脂滲透和擴散,分析和優化工藝參數,為金屬增材制造提供獨特的仿真視角。


3.1 FLOW-3D AM 激光粉床融合(L-PBF)
L-PBF工藝涉及流體流動、傳熱、表面張力、相變和凝固等復雜的多物理現象,這些現象對工藝和最終的制造質量有著重要影響。FLOW-3D AM物理模型通過考慮顆粒粒徑分布和填料組分,同時求解質量、動量和能量守恒方程來模擬中尺度熔體池現象。L-PBF工藝過程包括:鋪粉;粉末熔化和固化;在固化層上鋪設新粉末;再將新粉層與之前的層熔化、融合;…。FLOW-3D AM可模擬L-PBF任意工藝過程,下面以選擇性激光熔化(SLM)為例進行該工藝仿真案例介紹。

本例SLM過程的三維CFD模型如下圖所示:


圖1.SLM粉床三維CFD模型

3.1.1 鋪粉過程
FLOW-3D DEM可模擬落下隨機分布的粒子并堆積鋪平來模擬鋪粉過程,同時可選擇不同的顆粒粒徑分布。FLOW-3D DEM還可以對粒子-粒子相互作用、流體-粒子耦合和粒子-運動物體相互作用進行詳細分析。此外,它可以指定粒子間的力,以更精確地研究粉末擴散應用。
在DEM模塊可設置粉末顆粒參數:(1)在剛性容器內釋放大約24000個粉末顆粒。(2)在重力的作用下,顆粒自由降落至容器中。(3)利用一定速度(10m/s)移動的刀片進行粉末刮平。(4)將生成的粉床模型導出。


圖2. 粉床生成過程示意圖


為研究不同鋪粉方式的粉床壓實度變化,本例進行了上述刀片刮平(10cm/s)和滾筒在不同速度下刮平的粉床密實度研究。本例滾筒直徑5mm,旋轉方向為逆時針,平動速度與刀片相同,旋轉速度分別為0、3.14、6.28和9.42rad/s。



圖3. 滾筒鋪粉過程示意圖

下圖對比了不同鋪粉方式下的粉床壓實度,可以看出鋪粉方式對粉床的壓實度影響明顯,通過優化鋪粉方式可增加粉床的密實度。

圖4. 不同鋪粉方式的粉床壓實度

3.1.2  熔池模型
鋪好粉床后,可以在FLOW-3D WELD中指定激光束工藝參數,以進行高精度熔池模擬。可以詳細分析溫度、速度、固相分數、溫度梯度及凝固速度等。熔池凝固后,FLOW-3D AM壓力和溫度數據也可導入至Abaqus或MSC Nastran等FEA工具中,以分析應力和變形量。
在WELD模塊下設置激光功率200W,激光速度1000mm/s,光斑尺寸52μm,初始溫度298K,導入DEM模塊設置好的幾何文件進行熔池模擬。
仿真結果可知,由于材料蒸發引起的反沖壓力,使得激光中心區域有明顯的熔池凹陷,當溫度超過材料熔點時計算將自動激活相變模型考慮蒸發效應。在與激光運動相反方向的熔池區域形成了回流區,在表面張力的作用下熔池由激光中心區域逐漸擴大。

(a)溫度分布



(b)熔池截面速度分布


(c)不同位置熔池截面形狀

圖5. SLM熔池模擬結果

通過模型試驗與仿真對比驗證仿真的準確度,CFD熔池區域的尺寸形狀與試驗值吻合,最大仿真誤差小于2%。因此,利用FLOW-3D AM進行激光粉床熔融的模擬,可獲得合理的仿真結果用于用戶研究與分析。

圖6. 仿真與試驗對比
以上案例參考文獻:
Cheng B , Li X , Tuffile C , et al. MULTI-PHYSICS MODELING OF SINGLE TRACK SCANNING IN SELECTIVE LASER MELTING: POWDER COMPACTION EFFECT[C]// 29th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference. 2018.
3.1.3 多層增材制造

當第一層熔池凝固后,在固化層上沉積第二層顆粒。指定新粉末層上的激光工藝參數,再進行熔池模擬。通過仿真多層增材制造過程以評估凝固層之間的熔合性,分析凝固層內部的溫度梯度,并監測孔隙或其他缺陷的形成。

圖7. 多層SLM過程


3.2 定向能量沉積(DED)
FLOW-3D AM的內置粒子模型可用于模擬定向能量沉積過程。通過指定粉末注入速率和入射到固體基體上的熱通量,固體顆粒可以向熔池中增加質量、動量和能量。
激光金屬沉積(LMD)根據填充材料可分為線材和粉末填充。
3.2.1線材激光金屬沉積
線材激光金屬沉積是一種基于激光熔覆技術的焊接工藝,零件由激光熔融線材制成,是一種近凈成型過程。通過優化激光功率、線材速度和送絲方向,可以提高LMD工藝穩定性。


圖8. 線材激光金屬沉積原理

圖9. 線材激光金屬沉積過程


3.2.2粉末激光金屬沉積
基于粉末的LMD工藝適合創建復雜幾何形狀的功能梯度材料,不同粉末可預混形成一種定制合金,該工藝制造零件的尺寸精度較高,通過仿真可對粉末注射速度和激光參數進行優化。



圖10. 粉末激光金屬沉積過程


3.3 黏結劑噴射
粘結劑噴射是一種通過噴射粘合劑使粉末成型的增材制造技術。在黏結劑噴射工藝中,作為黏結劑的樹脂被選擇性地沉積在金屬粉末上,逐層形成零部件,然后將這些零部件燒結以獲得更好的致密度,適合制造一些使用激光或電子束燒結(或熔融)有難度的材料。
黏結劑噴射模擬為研究受毛細作用力影響的黏結劑在粉床中的擴散和滲透提供了視角,工藝參數和材料性能直接影響沉積和擴散過程。



圖11. 黏結劑噴射模擬


4、技術小結
綜上所述,FLOW-3D AM可快速高效模擬和分析多種增材制造過程,如激光粉末床熔化(L-PBF)、粘結劑噴射和定向能沉積(DED)等。通過FLOW-3D AM對金屬增材制造過程進行仿真,可為金屬增材制造工藝工程師帶來持續的價值效益與作用,如:
通過模擬激光熔化,分析熔池形態和鎖孔,可映射并預測缺陷設計空間和熔池幾何形狀。
通過分析粉末擴散和壓實參數,可優化滾筒移動速度與方向等。
通過優化激光功率、線材速度和送絲方向,可提高線材激光金屬沉積工藝穩定性。
通過優化粉末注射速度和激光參數,可優化粉末激光金屬沉積工藝。
通過分析粘結劑的擴散和滲透,可優化黏結劑噴射過程的工藝參數和材料性能。
……


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