设计仿真 | Simufact Additive铺粉增材制造工艺缺陷仿真分析方案

近年来，随着增材制造工艺的快速发展，仿真模拟的重要性日益凸显，越来越多的科研及应用单位选择在实际打印之前，通过仿真预测打印问题，从而优化打印工艺、减少物理试错次数、降低打印成本。就不同增材工艺仿真的占比而言，目前国内外金属粉床熔融的增材制造工艺仿真已达到主流地位。海克斯康增材制造工艺仿真分析解决方案Simufact Additive，凭借出色的仿真能力、精确的仿真结果，受到越来越多客户的支持与信赖。本文将为大家介绍用于粉床熔融工艺的缺陷分析方案Simufact Additive PBF process and defect analysis（以下简称Simufact Additive PDA）——一种应用于全尺寸几何中特定位置缺陷预测的增材制造过程模拟方法。

粉床熔融工艺的缺陷分析方案Simufact Additive PDA

Simufact Additive PDA模块针对Simufact Additive铺粉增材制造工艺仿真制造工艺缺陷（变形、开裂、收缩线、卡刮刀等）的补充。该缺陷分析模块的应用主要在金属粉床熔融工艺模拟之前，主要用于分析铺粉增材工艺参数对匙孔孔隙度、未熔合、球化、表面粗糙度等缺陷，以确定该零件在无缺陷状态下完成打印。

图1：主要L-PBF AM缺陷示意图。（图片来源：RTX）

为准确预测此类增材制造缺陷，Simufact Additive研发团队深入研究了增材制造工艺中的相关机制，对加热、熔化、流体流动、蒸汽形成和固化的机制进行了详细的研究。对这些关键机制中的每一个的物理特性都用一系列分析表达式进行描述。基于分析模型的方法实现了铺粉增材制造缺陷（匙孔孔隙度、未熔化、球化和表面粗糙度）形成的快速计算和预测。如图1所示。

该模拟方法考虑激光扫略处的局部温度升高，以及通过传热到基板、先前沉积层或松散粉末的热损失，从而对零件打印过程中的温度分布有精准的把控，而零件打印中的局部温度分布是预测打印质量和打印缺陷是否存在的关键参数。因此，在软件操作层面上，与传统Simufact Additive PBF模块不同的是需要添加更多的打印参数，如：光斑波动百分比、功率波动百分比、打印体积内部及上下表层上的一系列参数等。

图2：双参数图

基于激光功率、扫描速度和其他几个工艺参数，如光斑大小、层厚度、图案填充距离等，解析计算出单条带图以及单轨迹图。这两幅图显示了缺陷类型的预测与激光功率和激光扫描速度的关系，可参考图2所示。同时在最新版本当中，为进一步精确评估缺陷存在与否，充分考虑涂层、激光功率、光斑尺寸大小等参数波动可能会带来的结果不确定性。在该双参数关系图中添加阴影部分，以支持更加清晰的看到这些波动对不同缺陷的影响，如图3所示。

图3：参数波动性在双参数图中呈现阴影部分

该软件分析模块能够在几分钟内实现整体结构件温度历程和逐个粉末层缺陷的预测，并支持2D和3D结果的自由切换。图4展示了对支架零件进行缺陷分析得到的缺陷结果图及表面粗糙度结果图。

图4：2D缺陷图（图左）及3D表面粗糙度图（图右）

图5显示了通过使用Simufact Additive PDA预测复杂翼型结构缺陷的示例，其中包括三维体积缺陷和表面粗糙度预测。通过软件分析，可以在整个打印过程中快速评估和优化打印参数，从而直接生成无缺陷的零部件。

图5：通过Simufact Additive PDA对复杂3D组件进行缺陷预测应用示例（图片来源：RTX）

（海克斯康工业软件）

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