金屬選區激光熔化成型仿真模擬

唐光東，馮 濤，段國慶，吳朋越，馮云龍

（北京易加三維科技有限公司，北京102200）

0 引言

選區激光熔化（Selective laser melting，SLM）是在離散-堆積原理基礎上利用高能量密度激光束輻照作用使材料逐層快速凝固成型的過程，是激光增材制造中極為重要的金屬零件制備技術。選區激光熔化以其高效率、高精準、低消耗的特點而備受關注，在航空航天、汽車制造、生物醫學、工業生產等諸多領域均有廣闊的應用前景[1]。選區激光熔化成型實質是逐層累積成型，沒有護具或模具的保護，僅依靠已成型層對當前層的支撐，當激光在粉末層掃描時，該層熔化形成熔池，金屬粉末溫度升高使得周圍溫度又一次提升，導致此處前一層重新熔化，由于液相中無熱應力[4]，會讓新層熔化過程成為前一層等效應力釋放，但是伴隨成型層數的增加，當已成型層截面面積小于當前層截面面積時，部分應力無法釋放而剩余下來留在模型中，導致零件懸空位置就容易發生塌陷、變形等情況[5,6]。因此，在成型過程中常需要在關鍵位置（如懸垂位置）添加支撐以提高零件強度以保證其成型的穩定性，所以選擇合理的支撐位置、添加相應的支撐結構對于零件的成型、精度具有十分重要的意義。

目前，基于對激光增材制造成型要求的提高，人們對支撐結構的設計也日益重視起來，但關于支撐結構的設計研究還處于發展階段。A M Mirzendehdel[7]等針對不同類型零件設計提出了“TO”方法，將增材制造中的支撐結構與拓撲優化相結合，通過拓撲優化設計出強度較高、重量較小的支撐結構。張國慶等[8]基于選區激光燒結成型模型，采用分塊0°傾斜導熱支撐，有效改善零件的翹曲變形情況。Y Kajima[9]等人在研究支撐結構對合金性能的影響時發現，支撐的添加降低了零件的殘余應變，有效地防止燒結時形成的變形及微裂紋等問題。馬亞雄[10]等對3D打印過程中支撐結構自動生成的算法進行了研究，并證明了該算法可以減少支撐數量，提高實際的打印效率。

上述研究分別對支撐的類型、角度、對零件的影響以及支撐算法進行了研究，但不同支撐結構的設計到應用需要進行試錯實驗，檢驗添加不同支撐結構的金屬零件的成型情況及尺寸精度，這一過程往往花費大量時間和材料，增加了零件的成型成本。利用仿真軟件模擬激光增材制造的過程，預測擺放方式及支撐結構對打印零件變形量的影響，可大大減少實驗試錯次數，及時優化結構設計，提高打印精度。因此，本文在設計不同零件的擺放方式、添加不同支撐結構的基礎上，借助仿真模擬手段對金屬零件變形情況進行模擬研究，進一步優化支撐結構設計，完善金屬零件成型方案。

1 模型設計方案

由選區激光熔化的特點可知，若獲得高質量的金屬零件，除了與激光工藝參數相關外，與零件的擺放方式及支撐結構的設計也有關。由于其成型是逐層累積的過程，每打印一層后刮刀通過零件鋪上一層新粉，這時的刮刀可能與零件發生接觸產生刮蹭，影響鋪粉質量及下一層打印，所以選擇零件成型角度時盡可能減少與刮刀的接觸、減少大截面的出現，引導刮刀平滑地通過零件。同時，在保證成型過程的前提下，添加支撐結構在金屬零件成型中起著至關重要的作用，支撐結構設計時需要考慮支撐的強度、穩定性、制造時間等因素[11]，此外還需要考慮以下幾點：1）支撐添加數量盡量少且容易剝離；2）確保支撐質量，以固定零件；3）以較少的接觸點完成熱量的傳遞，保證零件表面質量；4）保留充足的空間以清理支撐之間的粉末。

本文選擇典型的U形模型結構（如圖1所示），模型由左右對稱的側臂、肋板和一個橫梁連接而成，并依據上述要求，沿坐標軸進行旋轉得到不同擺放方式并添加支撐結構，具體方案如圖2所示。通過仿真軟件對其成型過程進行模擬，采用固有應變算法獲得等效應力及變形結果，模擬時所用工藝參數如表1所示。

表1 實驗設備主要參數

圖2 設計方案

為驗證仿真結果的準確性，本文設計打印實驗與前期設計及仿真結果進行對比。實驗所用粉末材料為IN718鎳基高溫合金粉末，其化學成分如表2所列。

表2 IN718粉末成分（wt%）

利用Magics軟件對零件進行切片處理，采用北京易家三維科技有限公司研發的填充軟件EP-Hatch進行填充，并使用該公司生產的EP-M250型號（如圖3）金屬3D打印設備進行零件成型。實驗件尺寸與仿真模型所用幾何模型尺寸相同，實驗工藝參數與仿真所用工藝參數保持一致。

圖3 EP-M250金屬3D打印機

2 模擬過程及結果分析

2.1 固有應變

選區激光熔化金屬成型是金屬粉末通過激光高能量密度的熱作用而完全熔化，并經過快速冷卻凝固而成型的過程。在該過程中，形成的每條熔道可近似視為一次焊接過程[12]，因此可以將熱應變、塑性應變和相變導致的殘余應力及變形問題簡化為固有應變算法進行計算。固有應變公式如下[13]：

式中：εT為熱應變，εP為塑性應變，εX為相變。

2.2 模型建立

基于固有應變理論，借助仿真軟件對U形模型進行網格劃分，為確保仿真精度，網格劃分尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm，如圖4所示。

圖4 模型網格

2.3 結果分析

2.3.1 應力分析

圖5為模型成型后線切割、移除支撐后等效應力分布云圖。由圖可知模擬中不同擺放方式及支撐結構對模型的應力影響較大，由圖（a）和（b）可知，未添加支撐結構時模型產生的應力值較大，均超過850 MPa，受成型方式影響，水平放置時側壁處應力大于底部橫梁處；而倒立放置時橫梁處成型截面較大，由于在橫梁懸空位置未加支撐，在線切割時產生向Z軸負向的拉應力，在梁與側壁連接處有應力集中現象，容易使模型發生變形，導致側壁向外擴張。

圖（c）和（d）均沿X軸正向旋轉，減少打印截面面積，移除支撐后，應力值有所下降，但由于模型懸垂位置及其他邊緣位置靠近模型邊角，很容易產生應力集中現象，使得該位置處的應力值較大，也極易導致模型發生變形，脫離原始打印方向。

圖（e）和（f）沿Y軸負向旋轉，進一步減小打印截面面積，降低了線切割面積，但是增加了打印高度。由圖（e）可以看出，模型橫梁上表面應力小于下表面應力值，上表面殘余應力在不斷升溫降溫的過程中得到消除，下表面卻因為打印下一層時應力傳遞導致其殘余應力不斷累積，而側壁位置由于添加了支撐結構，其應力值相對降低，但模型（e）整體應力仍然較大，會引起較大變形。其原因是：雖然支撐結構提高了模型的強度，但是激光掃描到支撐結構時，其對熔池熱量的傳遞遠小于模型實體部分，使得熔池變大，增加了新一層金屬粉末的鋪粉量，導致其收縮加大，應力也大。由圖（f）可知，向Y軸負向旋轉135°支撐添加量最少，模型的應力值最小，僅為161.03 MPa.

圖5 模型等效應力模擬結果

2.3.2 變形分析

圖6為模型成型后線切割、移除支撐后變形圖。圖（a）、（b）為模型未加支撐時線切割后變形，圖（c）～（f）模型為線切割移除支撐后的變形結果。由模擬結果可知，在無支撐結構條件下，線切割后無論是水平放置還是倒立擺放，模型均出現了較大的變形，尤其是兩側臂位置，導致模型開口距離發生變化。水平放置時兩側壁向內收縮，單側收縮量達到1.81 mm；倒立放置時側壁向外擴張，零件變形要大于水平放置，最大變形為2.02 mm.

圖6 模型加支撐結構時擺放方式及模擬結果

圖（c）、（d）所示為模型向 X 軸正向旋轉，減少打印中出現大截面，由模擬結果可以看出，改變擺放方式并添加支撐結構明顯減小了零件的變形。向X軸正向旋轉45°變形（圖c）時，設計了連接開口的支撐結構，防止零件線切割后發生較大變形，但移除支撐后模型兩側仍有變形，最大變形出現在開口位置，為0.63 mm，結合2.3.1節中圖（c）可知，移除支撐后仍有較大應力，模型受到高應力時易發生變形；向X軸正向旋轉90°變形（圖d）時，在側壁出添加支撐結構，由于支撐在基板上的面積相對較大，在打印時對模型的支撐強度較高，在移除支撐后變形略有降低，為0.42 mm.

支撐結構的添加明顯改善了模型的變形情況，但是要考慮打印后支撐移除，在移除過程中也會對零件變形產生影響。圖（e）和（f）沿Y軸負向旋轉，減小打印截面以及線切割面積，但是圖（e）在移除支撐后變形量高達0.58 mm，結合2.3.1節中圖（e）分析，當激光掃描到懸垂位置時產生了較大的應力，且由于自身的形狀特點導致其剛度較差，在移除支撐過程中受到較大的外力而發生變形。而圖（f）中的應力較小，同時其支撐數量少，打印截面積小，在移除支撐過程中受到的外力較小，所以變形最小，為0.11 mm.

2.4 實驗驗證

根據模擬結果，選擇第1節添加支撐結構的方案（c）、（d）、（e）、（f）進行實際選區激光熔化成型，為比較不同支撐結構數值模擬和實驗所得的變形結果，在模型兩側側臂相同位置上選取10個測量點，測量模型變形情況如圖7所示，得到如圖8所示的模擬結果與實驗結果對比圖。

由圖8可知，模擬預測結果較好，與實驗所測得的變形趨勢吻合。由方案（c）對實驗結果可以看出，模型沿側臂由下而上向內收縮，由于方案（c）添加了連接開口的支撐結構，在模型成型時側臂受到向內的拉力，所以出現收縮現象，與模擬結果一致；方案（d）與方案（e）模型側臂都出現自下向上向外擴張現象，方案（d）向X軸正向旋轉90°并加水平支撐，支撐強度較大，降低了變形量，方案（e）向Y軸負向旋轉90°，雖然這種方案避免成型過程出現較大的截面，提高零件成型率，但是支撐結構較多，增加了移除工作量以及移除支撐時導致的變形風險；方案（f）中的變形量最小，與模擬結果相符，表明其擺放方式及添加的支撐結構最佳，進一步說明通過仿真模擬預測金屬零件變形的方式有效可行，對于實際金屬零件成型具有一定的指導意義。

圖8 實驗值與模擬值比較

3 結束語

本文通過仿真軟件模擬選區激光熔化金屬零件的制備過程，得到不同擺放方式及支撐結構對金屬零件殘余應力及變形情況的影響。并得到以下結果：

（1）金屬零件選區激光熔化成型過程中，合理的設計擺放位置避免出現較大截面，保證成型質量；優化支撐結構，控制添加位置及數量可有效控制零件變形量，提高金屬成型精度；

（2）模擬仿真結果與實驗結果相吻合，通過仿真模擬結果獲得優化方案，這一手段大大減少了反復實驗試錯次數，提高了生產效率，避免材料消耗，降低生產成本，為實際中的金屬零件成型設計提供了一種有效的方法。