萬（wàn）道強光，從天（tiān）而降；飛沙走石，電光石火；所到之處，皆為“焦土”...

這不是世界末（mò）日（rì），不過是從粉末的角度去看粉末熔融金屬（shǔ）成形過程罷了。

瞬態的反應，很難（nán）用傳統的模型進行精確地描述；而熔融過程又決定成品的（de）質量。模擬仿真可（kě）以彌補精確模型難以預測的物化過程，為（wéi）這個工藝提供更多的指導。靖哥請（qǐng）到了彭浩博士為大家解讀（dú）當前金屬3D打印仿真模擬領域的主要進展。

 

開篇語

以粉床熔融成形技術（PBF）為代表的金屬（shǔ）3D打印在近些年逐步由實驗室走向市場。粉床熔融金屬3D打印通過激光或者（zhě）電（diàn）子束層層熔化金屬粉末，能夠一次性製造出材料性質媲美鍛件的複雜金屬零件。然而，目前金（jīn）屬3D打印也存在很多缺陷，比如產量低，不確（què）定性大，零件尺寸精度低等。到目前為止，金屬3D打印的參數優化主要依賴於反複實驗。然（rán）而實驗會耗費大量的時間，人（rén）力（lì）和資金。因此，通過計算機模擬仿真來了解金屬3D打印的機理，在打印零件之（zhī）前通過計算機提前優化打（dǎ）印的各項參數（shù），便（biàn）成為克（kè）服金屬3D打印缺陷的一條捷徑。

 

1. 背景

由於粉（fěn）床熔融金屬3D打印中所用的金屬粉末尺寸大約為50微米，激光束或者電子束的最小聚焦直徑也在100微米左右，然而（ér）需要打（dǎ）印的零件尺寸卻常（cháng）常大（dà）於幾十或上百個（gè）厘米，如果在微米尺度上直（zhí）接模（mó）擬（nǐ）整個大型（xíng）零件（jiàn），有人估計以現有的計算機所需要的時間（jiān）是5.7x10^18年（宇宙（zhòu）的年齡（líng）才不到1.4x10^10年）。此外，在（zài）金屬3D打印中的物理過程也是（shì）極其複（fù）雜的如圖1。整個物理過程涉及到熱傳導，熱輻射，熱（rè）對流，熱應力，金屬粉末相（xiàng）變，熔池自由表麵流體流動，流體潤濕性，流體表麵張力等等多領域多學科的複雜物（wù）理過程。這些（xiē）過程（chéng）的模擬仿真不僅需（xū）要對單（dān）一領域有深刻了解，更需要各個學（xué）科領域之間的通力合作。總得來說，金（jīn）屬3D打印的模擬仿（fǎng）真需（xū）要在一個多尺度多物理場（multi-scaleand multi-physical）的大框架（jià）下進行（háng）。下麵就對金屬（shǔ）3D打印中的幾個主要物理過程的模擬（nǐ）仿真做一一介紹（shào）。

 

 

 

2. 粉床仿真

現（xiàn）狀與（yǔ）優勢：

金屬3D打印中的粉（fěn）床由直徑大小不等的金屬粉末構成，粉末一般接近球狀，大小一般呈現正態分布，不同打印設（shè）備所用（yòng）的金屬粉末大（dà）小都有（yǒu）所不同，平均直徑在（zài）50微米左右。在激光或電子束燒結之前（qián），這（zhè）些粉末由平鋪刀刃（recoaterblade）或者（zhě）滾筒（roller）平鋪到打印平台上。目前模擬金屬粉末平鋪過程最（zuì）常用的方法是離（lí）散單（dān）元法（DEM）如圖2，金屬粉末的（de）不同顏色代表了不同的運動速度。通過離散（sàn）單元法可以模擬（nǐ）不同（tóng）大小（xiǎo）金屬顆粒在平鋪刀刃或者滾筒推動下（xià）的運動情況。

局限：

離散單元（yuán）法隻能模擬有限數量的金屬顆粒。目前能夠模擬（nǐ）的金（jīn）屬顆粒數量最多在百萬（wàn）數量級，遠少於實際金屬3D打印中的金屬顆粒數量。

 

 

3. 熱源仿真（zhēn）

現狀與優勢：

在模擬激光（guāng）或（huò）者電子束（shù）時，最常見也（yě）是最簡單的方法是應用Lamber-Beer吸收定律。該定律假設熱（rè）源強度在打（dǎ）印平麵上呈（chéng）現高斯分布，而在垂直於打印平麵方向，熱源強度呈指數（shù）級遞減。不（bú）過，Lamber-Beer吸收（shōu）定律沒有解決熱源的吸收（shōu）率問題。金屬顆粒（lì）對激光和電子束都有很強的反射或者散射效果，所有激光和電子束的（de）能量隻有一部分能夠被（bèi）金屬顆粒吸收並轉化成熱能。目前計算金屬粉（fěn）末對激光的吸收率最常用的方法是光線追跡法（raytracing）如（rú）圖3。該方法假設激光（guāng）束由一組平行光線組成（chéng），當光線與金屬顆粒接觸時在金屬顆粒表（biǎo）麵發生反射。每（měi）一束光線的運動軌跡都被追（zhuī）蹤記錄，最後通過統計算出金屬粉床對激光的總體吸收率。通過光線追跡法可以計算出在不同金屬材料，不同顆粒形狀大小和不同光源直徑下，金屬粉床對光源的吸收率。

局限：

光（guāng）線追跡法需要大量的計算資源才能預測到比較準確的吸收（shōu）率。此外，在實際金（jīn）屬打印過程中，金（jīn）屬顆粒的形狀（zhuàng）大小和位置分布也很隨（suí）機，因此目前的模擬仿真還不能（néng）利用光線追跡法實時計算光源的吸收率。

 

 

4.  熔池仿真

現狀與優（yōu）勢：

當（dāng）金屬（shǔ）顆粒被激光或（huò）者電子束熔化後會形成熔池（meltpool）。熔池的形狀大小深度以及其動態變化直接影響了打印零件的品質。因此，很早的時候就出現（xiàn）了大量對熔池的模擬仿真如圖4。熔池內部（bù）的金屬液體在重（chóng）力，液體表麵張力和金（jīn）屬汽化形成的反衝壓力的聯合作用下進行著劇烈的對流運動。同時，主要的傳熱過程包括熱傳導，熱對流，熱輻射，以及主要（yào）的相變過程包括金屬顆粒的熔融與凝固，液體金屬（shǔ）的汽化等（děng）都集中在熔池附近。目前（qián）對熔池的模擬仿真主要利用有限體積法預測（cè）熔池內的金屬液體的溫（wēn）度和流速。美國LLNL實驗室對熔池的仿真還考慮了金屬顆粒的熔化與凝固（gù），金屬液體汽化（huà）形（xíng）成的反衝壓力以及液體運動時的自由表麵形狀。

局限：

為了準確模擬熔池（chí）附近的（de）複雜物理過程（chéng）以及金屬顆粒的幾何形狀，網格的大小經（jīng）常需（xū）要被設定到（dào）幾個微米，因此對熔池（chí）的模擬目前局限在幾個毫米範圍內，並不能直接用於常見（jiàn）零件的仿真。

 

 

 

5. 微結構仿真

現狀與優勢：

微結構（microstructure）形成於熔池凝（níng）固成固態時。微結構直接決定了材料的機械性能。微結構的模擬仿真通常分（fèn）為兩步（bù）。第（dì）一步，通過有限單元或者有限體積法預測熔池（chí）凝固時的冷卻速率（lǜ）以（yǐ）及（jí）溫度梯度。第（dì）二步，利用冷卻（què）速率和溫度梯度對晶枝的成核以及生長進行仿真。圖5展示（shì）了在不同冷卻速率和溫度梯度下，晶枝生長形成的微結構。

局限：

由於計算資源的限製（zhì），絕（jué）大多（duō）數的微結構仿真都隻局限與二維，計算域也隻有幾十（shí）個微米。

 

 

 

6. 零件熱變（biàn）形

現狀與優勢：

在金屬3D打印中，零件經常打印在很厚的金屬板基座上，打印完成後需要將零件（jiàn）從基座（zuò）上取下。由於在打印過程中零件內部積累了大量的熱（rè）應力，當零件從（cóng）基座（zuò）上（shàng）取下後通常會出現很（hěn）明顯的變形，如圖6。雖然變形是在打印完成之（zhī）後發生的，導致變形的熱應力（lì）卻（què）是在整個打印（yìn）過程中積累（lèi）的。因此，為了準確預測金屬3D打印中的（de）零件變形就必須要對整個打印過程進行模擬仿真。由於（yú）普通零件的尺寸通常（cháng）有幾十甚至上百厘米，對於這（zhè）種大小的零件進行全真模擬幾乎不可能實（shí）現，因此對於整個打印過程的抽象和假設就必不（bú）可少。最常見（jiàn）的抽象和假設就是將多個相鄰（lín）的層合（hé）並成為更厚的一層進行（háng）傳熱和應力分析。經過抽象和假設，基於有限（xiàn）單元（yuán）法的模擬（nǐ）仿真目前已經能夠預（yù）測（cè）尺度在一（yī）米左右的大零（líng）件變形。

局限：

經過抽象和假設的熱應（yīng）力（lì）模型需要接（jiē）受實驗的檢驗。目（mù）前能夠係統地與實驗進行對比的仿真模型仍然（rán）很少。

 

 

 

結束語

金屬3D打印的模擬與仿真是打（dǎ）開金屬3D打印的一把金鑰（yào）匙。通過建立多（duō）尺度（dù）多物理場的金屬3D打印模型並且利用高性能的並行運算，我們（men）將不斷逼近真實的金屬3D打印過程，從而優化金屬3D打印的參數，節省重複實驗帶來的資（zī）源浪費。

 

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應用技（jì）術解決方案。

 

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