如何利用仿真技術(shù)克服激光粉床熔融的挑戰(zhàn)？看完這3個生產(chǎn)實例你就懂了！
時間：2023-01-03 20:03 來源：Oqton 作者：admin 閱讀：次
激光器數(shù)量越多意味著功率越高、打印速度越快、單個零件成本越低， 至少這是對具有兩臺、三臺、四臺甚至十二臺激光器的新一代激光粉床熔融 (LPBF) 設備的主要期望。但是，大幅增漲的能量輸入其實存在意想不到的挑戰(zhàn)。如何識別這些挑戰(zhàn)，又該如何利用仿真技術(shù)應對呢？
熱仿真技術(shù)應對激光粉床熔融的挑戰(zhàn)
LPBF 是一種增材制造 (AM) 工藝。這種工藝中，將激光束作用于金屬粉末，一層一層地打印出零件。為了提升設備生產(chǎn)速度，打印機生產(chǎn)商開始增加更多的激光器，這將導致零件過熱、收縮以及微觀結(jié)構(gòu)和力學性能等材料特性發(fā)生變化的風險增加。有時，即便零件肉眼檢查是正常的，在實際使用時卻會出現(xiàn)裂紋或其他失效。
使用含四臺激光器的設備可能會導致馬氏體時效鋼（以下簡稱模具鋼）嚴重過熱，這一點可通過變色看出。為了排除使用激光選區(qū)熔融打印可能的失敗，制造商可以對整個過程進行數(shù)字仿真。通過熱仿真，可以研究增加激光器數(shù)量的后果，并預估它們對零件質(zhì)量的影響。目前， 熱仿真著重處理單個零件，研究支撐結(jié)構(gòu)或零件本身是否足以將熱量輸送到基板上。不過，為了準確預測單個零件的溫度，需要知道整個任務的打印速度。即使兩個零件之間未傳遞任何熱量，但是仍然需要考慮真實的打印設置，這一點至關(guān)重要。
Amphyon賦能激光熔融工藝
仿真軟件 Amphyon 采用兩階段法來實現(xiàn)對激光選區(qū)熔融工藝的精確仿真。
首先，Amphyon 根據(jù)激光器的數(shù)量、激光功率、掃描速度、鋪粉時間等參數(shù)計算出打印速度。然后，Amphyon 通過熱學有限元分析來預測絕對溫度。在這種情況下，不計算熔化溫度以上的峰值，因為該數(shù)值并不相關(guān)。相反，需要知道的是在開始掃描下一層之前的零件環(huán)境溫度。如果某一層生成的溫度過高，Amphyon 可以計算出冷卻所需的時間，最終節(jié)省打印時間。
讓通過三個生產(chǎn)實例，為您展示如何借助仿真來避免過熱。這三個實例是基于工程師在激光選區(qū)熔融中遇到的真實場景。
實例 1：單激光設備與四激光設備
您可能會認為，單激光設備與四激光設備之間的唯一區(qū)別就是功率不同。但通過仿真發(fā)現(xiàn)，此過程遠比表面上看到的情況復雜。
針對用模具鋼制造模具進行的熱仿真顯示，在一臺設備上再增加三臺激光器將會顯著提高溫度峰值。使用單激光器設備制造的零件，其溫度峰值約為 162°C (324°F)；使用四激光器設備后，零件溫度峰值達到 351°C (664°F)。
當溫度如此高的鋼材迅速冷卻到室溫時，會變成馬氏體，這是一種既硬又脆的鐵碳固溶體。這種材料的表現(xiàn)也是不同于其他材料的。
在本例中，通過仿真發(fā)現(xiàn)，使用更多的激光器會改變零件的質(zhì)量以及零件在后期加工和最終應用中的表現(xiàn)。
通過仿真，可以比較單激光器設備和四激光器設備在打印此大型零件時達到的溫度峰值。
實例 2：單個零件與滿版打印
正如熱仿真所示，打印平臺上的零件數(shù)量會顯著改變零件的溫度和質(zhì)量。
為了研究這一現(xiàn)象，將放置九個零件的打印平臺和僅一個零件的打印平臺進行對比。這些零件均采用相同打印設置，在同一臺設備上用 316L 不銹鋼制造。溫度峰值的差異相當顯著：排版多個零件后的溫度峰值為 248°C (478°F)，而單個零件的溫度峰值高達 658°C (1216°F)。
測試表明，單個零件的打印不能代表排版多個零件的生產(chǎn)環(huán)境。據(jù)此可推，不應該假設零件的質(zhì)量完全一致，因為溫度升高會導致進一步的熱變形和收縮，從而產(chǎn)生不同的材料性能。
排版多個零件和單個零件的仿真實例可以看出，溫度峰值的差異相當顯著。
實例 3：不同高度的零件
用八根拉力試棒圍繞一個 TC4 零件進行了仿真。雖然拉伸棒從未超過 325°C (617°F)，但零件本身卻過熱了，其上部區(qū)域達到 600-700°C (1112-1292°F) 的溫度,根本原因在于上部區(qū)域每層打印面積的減少導致了打印速度的加快。打印速度的加快則會導致散熱的時間不一樣。而溫度的差異會導致零件和拉伸棒的材料性能發(fā)生變化，即使它們是在同一任務中制造的。這項經(jīng)驗也適用于其他生產(chǎn)任務中。零件的高度與拉力試棒不同，導致了溫度峰值的差異。要確定準確的溫度峰值，最好對該過程進行仿真。
對零件和拉力試棒進行的仿真表明，雖然拉力試棒的溫度不超過 300℃，但實際零件的上部區(qū)域已經(jīng)過熱，溫度高達 600-700℃。這三種情況是工程師在使用激光選區(qū)熔融技術(shù)時經(jīng)常遇到的場景。Oqton堃騰的 Amphyon軟件可通過精確的打印速度分析和熱仿真，包含實現(xiàn)熱穩(wěn)定打印的自適應方法，幫助工程師避免零件制造過程中出現(xiàn)的意外問題。
Oqton 堃騰
Oqton（堃騰）聚焦運用AI人工智能、云計算技術(shù)研發(fā)智能自動化制造解決方案，賦能制造企業(yè)提高創(chuàng)新和效率。旗下Manufacturing OS連接工程設計和生產(chǎn)現(xiàn)場制造，為制造企業(yè)提供全組織完整可追溯性和可見性。 Geomagic、3DXpert 和 Amphyon軟件在逆向工程、三維檢測、有機設計、3D 打印及成型仿真模擬方面協(xié)助制造企業(yè)快速連接分布式工程和生產(chǎn)任務、完成復雜工程和生產(chǎn)任務。
熱仿真技術(shù)應對激光粉床熔融的挑戰(zhàn)
LPBF 是一種增材制造 (AM) 工藝。這種工藝中，將激光束作用于金屬粉末，一層一層地打印出零件。為了提升設備生產(chǎn)速度，打印機生產(chǎn)商開始增加更多的激光器，這將導致零件過熱、收縮以及微觀結(jié)構(gòu)和力學性能等材料特性發(fā)生變化的風險增加。有時，即便零件肉眼檢查是正常的，在實際使用時卻會出現(xiàn)裂紋或其他失效。
使用含四臺激光器的設備可能會導致馬氏體時效鋼（以下簡稱模具鋼）嚴重過熱，這一點可通過變色看出。為了排除使用激光選區(qū)熔融打印可能的失敗，制造商可以對整個過程進行數(shù)字仿真。通過熱仿真，可以研究增加激光器數(shù)量的后果，并預估它們對零件質(zhì)量的影響。目前， 熱仿真著重處理單個零件，研究支撐結(jié)構(gòu)或零件本身是否足以將熱量輸送到基板上。不過，為了準確預測單個零件的溫度，需要知道整個任務的打印速度。即使兩個零件之間未傳遞任何熱量，但是仍然需要考慮真實的打印設置，這一點至關(guān)重要。
Amphyon賦能激光熔融工藝
仿真軟件 Amphyon 采用兩階段法來實現(xiàn)對激光選區(qū)熔融工藝的精確仿真。
首先，Amphyon 根據(jù)激光器的數(shù)量、激光功率、掃描速度、鋪粉時間等參數(shù)計算出打印速度。然后，Amphyon 通過熱學有限元分析來預測絕對溫度。在這種情況下，不計算熔化溫度以上的峰值，因為該數(shù)值并不相關(guān)。相反，需要知道的是在開始掃描下一層之前的零件環(huán)境溫度。如果某一層生成的溫度過高，Amphyon 可以計算出冷卻所需的時間，最終節(jié)省打印時間。
讓通過三個生產(chǎn)實例，為您展示如何借助仿真來避免過熱。這三個實例是基于工程師在激光選區(qū)熔融中遇到的真實場景。
實例 1：單激光設備與四激光設備
您可能會認為，單激光設備與四激光設備之間的唯一區(qū)別就是功率不同。但通過仿真發(fā)現(xiàn)，此過程遠比表面上看到的情況復雜。
針對用模具鋼制造模具進行的熱仿真顯示，在一臺設備上再增加三臺激光器將會顯著提高溫度峰值。使用單激光器設備制造的零件，其溫度峰值約為 162°C (324°F)；使用四激光器設備后，零件溫度峰值達到 351°C (664°F)。
當溫度如此高的鋼材迅速冷卻到室溫時，會變成馬氏體，這是一種既硬又脆的鐵碳固溶體。這種材料的表現(xiàn)也是不同于其他材料的。
在本例中，通過仿真發(fā)現(xiàn)，使用更多的激光器會改變零件的質(zhì)量以及零件在后期加工和最終應用中的表現(xiàn)。
通過仿真，可以比較單激光器設備和四激光器設備在打印此大型零件時達到的溫度峰值。
實例 2：單個零件與滿版打印
正如熱仿真所示，打印平臺上的零件數(shù)量會顯著改變零件的溫度和質(zhì)量。
為了研究這一現(xiàn)象，將放置九個零件的打印平臺和僅一個零件的打印平臺進行對比。這些零件均采用相同打印設置，在同一臺設備上用 316L 不銹鋼制造。溫度峰值的差異相當顯著：排版多個零件后的溫度峰值為 248°C (478°F)，而單個零件的溫度峰值高達 658°C (1216°F)。
測試表明，單個零件的打印不能代表排版多個零件的生產(chǎn)環(huán)境。據(jù)此可推，不應該假設零件的質(zhì)量完全一致，因為溫度升高會導致進一步的熱變形和收縮，從而產(chǎn)生不同的材料性能。
排版多個零件和單個零件的仿真實例可以看出，溫度峰值的差異相當顯著。
實例 3：不同高度的零件
用八根拉力試棒圍繞一個 TC4 零件進行了仿真。雖然拉伸棒從未超過 325°C (617°F)，但零件本身卻過熱了，其上部區(qū)域達到 600-700°C (1112-1292°F) 的溫度,根本原因在于上部區(qū)域每層打印面積的減少導致了打印速度的加快。打印速度的加快則會導致散熱的時間不一樣。而溫度的差異會導致零件和拉伸棒的材料性能發(fā)生變化，即使它們是在同一任務中制造的。這項經(jīng)驗也適用于其他生產(chǎn)任務中。零件的高度與拉力試棒不同，導致了溫度峰值的差異。要確定準確的溫度峰值，最好對該過程進行仿真。
對零件和拉力試棒進行的仿真表明，雖然拉力試棒的溫度不超過 300℃，但實際零件的上部區(qū)域已經(jīng)過熱，溫度高達 600-700℃。這三種情況是工程師在使用激光選區(qū)熔融技術(shù)時經(jīng)常遇到的場景。Oqton堃騰的 Amphyon軟件可通過精確的打印速度分析和熱仿真，包含實現(xiàn)熱穩(wěn)定打印的自適應方法，幫助工程師避免零件制造過程中出現(xiàn)的意外問題。
Oqton 堃騰
Oqton（堃騰）聚焦運用AI人工智能、云計算技術(shù)研發(fā)智能自動化制造解決方案，賦能制造企業(yè)提高創(chuàng)新和效率。旗下Manufacturing OS連接工程設計和生產(chǎn)現(xiàn)場制造，為制造企業(yè)提供全組織完整可追溯性和可見性。 Geomagic、3DXpert 和 Amphyon軟件在逆向工程、三維檢測、有機設計、3D 打印及成型仿真模擬方面協(xié)助制造企業(yè)快速連接分布式工程和生產(chǎn)任務、完成復雜工程和生產(chǎn)任務。
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