復雜曲面金屬增材制造零件應力模擬及變形優化​
金屬激光粉末床熔化技術(PBF-LB)是利用高能量激光束對金屬粉末進行選擇性熔化，最終堆疊成型形狀復雜的快速成形增材技術。PBF-LB是“自下而上，逐層疊加”的特性滿足航空航天領域對于復雜零件的要求，已經成為一種高端制造的創新技術。
但在成形過程中，金屬粉末受激光輻照而熔化形成微型熔池，熔池快速凝固，導致零件內部熱應力無法及時釋放，產生應力集中和變形等缺陷。如何解決3D打印-增材制造過程中的應力集中和變形等缺陷，成為行業較為關注的痛點。該領域中主要的設備廠商、航空航天等應用單位可通過Simufact Additive軟件來解決PBF-LB 成形過程中的內應力及變形等問題，通過預先進行仿真優化，可大幅度減少試錯次數，提高3D打印質量和效率。
Simufact Additive 增材制造仿真
海克斯康Simufact Additive 增材制造仿真軟件主要功能分鋪粉增材制造工藝仿真、鋪粉增材制造工藝缺陷分析仿真、金屬粘結劑噴射成型工藝仿真、機加仿真分析，算法上涵蓋了固有應變、熱學分析、熱力耦合分析，包含制造過程和校核功能分析，針對鋪粉增材制造工藝，軟件可實現增材過程分析、熱處理、熱等靜壓、線割、支撐移除等工藝過程全流程仿真分析。通過Simufact Additive對增材制造過程仿真分析主要分析3D打印變形、開裂、卡刮刀預測、收縮線、應力、應變、相變等，并且軟件具有變形補償自動優化，能夠將優化后的結構導出STEP等格式，最終幫助用戶實現一次打印成功。
Simufact Additive 薄壁結構打印變形分析
復雜曲面應力模擬及變形優化
本試驗以復雜曲面航空零件為模型，零件整體厚度為1mm，材料為AlSi10Mg，空間尺寸為188.90mm*161.40mm*158.18mm，經測量計算發現模型最大曲度達到了35°，由于模型曲面復雜極易在PBF-LB成型中產生內應力，進而發生變形和開裂最終導致失效。本試驗采用Simufact Additive固有應變算法，并對模型進行變形補償自動優化，最終獲得最優工藝方案。
復雜曲面航空零件等軸視圖
擺放方案設計
模型體積為40.382cm3，表面積為816.530cm2，三角面片數量為16248個。構建過程中采取不同的取向和位置，所帶來的應力分布和變形也是不同的。一般情況下零件能夠在多個擺放方向上完成加工，擺放方向的選擇能夠影響支撐區域分布、支撐大小、應力趨勢和變形。綜合考慮支撐強度、支撐與成形件的相互作用和支撐的易去除性，設定零件定向臨界角為45°，為了研究擺放方式與支撐體積對應力分布和變形的影響，以定向臨界角45°為基準設計了三種零件擺放方案，如圖所示，三種擺放方案在支撐模型取向、支撐區域分布、支撐體積大小等方面都有所不同，三種擺放方案的擺放參數見表1。
三種擺放方案及其支撐分布
從圖可以直觀看到方案1受支撐面積最少，方案2的支撐體積最大，相較于方案2，方案1的支撐體積減少，支撐位置易于去除，但零件整體重心高度較高，預測零件邊緣會出現較大的應力變形。方案2降低了零件整體的重心高度，增加了受支撐面積，以達到減少應力變形的需求，但支撐增多，支撐體積增大，降低了打印效率，且位于零件內側的支撐較難去除。方案3采取了最少的支撐體積，重心高度最低，打印效率與成本極大減少，但零件各處懸垂角度較小，預測零件未支撐區域（主要是支撐角度較小的邊緣部分）的變形量會增大。
表1 各個方案的擺放參數
Simufact Additive 增材制造優化分析
方案1中最大正應力的大小集中在200-250MPa，等效應力分布小在300-330MPa之間①處的等效應力最大達到了328.714MPa，因此這些應力集中點有很大的開裂和失效風險。表面偏差形狀對比圖，其中變形量最大達到了2.89mm。
方案1模擬結果圖
方案2出現的最大負向變形位置的出現是由于該處的支撐的殘余應力導致的變形，查看支撐移除前該處的應力分布，發現移除前該處支撐的最大等效應力達到了361.571MPa，高于周圍支撐120-160MPa。方案2的正向最大變形量相較于方案1略微減少了0.79mm。對比方案2和方案1的最大正應力分布圖和等效應力，其中有三處應力集中處在相同的位置，這是因為方案1和方案2在零件該部分都沒有支撐分布，因此零件內部應力分布相差不多（15-25MPa），但方案2出現了一個新的應力集中區域，見下圖(a)①處，
方案2模擬結果圖
方案3模擬結果中最大正應力分布中，可以明顯觀察到零件存在著大小在258MPa左右的應力集中區域，無支撐導致的散熱不均勻是造成殘余應力過大的重要原因。形狀對比圖中發現由于殘余應力存在使零件應力集中的區域發生了嚴重形變，形變量最大達到了9.89mm。
方案3模擬結果
對比三個方案的模擬結果，方案2相較于方案1出現了新的應力集中區域，大小最大達到了180.103MPa，3而且負向最大變形位置的曲率較大，不利于后處理，最重要的是支撐位置處于零件內側，不利于實際生產中支撐的移除和后期加工。方案3的應力集中區域分布復雜，應力集中區域較多，容易發生斷裂和失效，并且變形處變形較大，最大變形量達到了9.89mm，屬于嚴重變形。
所以在此選擇對方案1進行變形補償自動優化，即在Simufact Additive中設置優化目標0.5mm，這樣軟件自動迭代 ，經過10次迭代，最大變形降到了0.4503mm，變形降低了83.4%。
失真迭代優化結果圖
將應力結果也與優化前的進行對比，如下圖所示最大正應力集中區域的應力大小不超過215MPa，相比優化前降低了14%，等效應力最大不超過270MPa相比于優化前降低了15.8%，降低了斷裂和失效風險。
方案1迭代優化后模擬結果對比圖
小結
本文針對復雜曲面零件設計了3種不同擺放及支撐打印成形方案，利用Simufact Additive固有應變有限元分析法分析預測應力趨勢和變形分布，并對零件進行失真變形進行迭代優化。對比優化前后結果發現：最大正應力下降14%，等效應力下降15.8%。最大變形從2.714mm降到了0.4503mm，變形降低了83.4%。研究結果可為PBF-LB 工藝方案設計和優化提供參考，降低試錯次數。
l 參考文獻：張雷,徐峰,楊行等.基于固有應變的PBF-LB復雜曲面應力模擬及失真迭代優化[J].陜西理工大學學報(自然科學版),2023,39(03):15-22+68.
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