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通过模拟应用程序在增材制造中进行预测

工业技术研究所的工程师构建了一个模拟应用程序，该应用程序可用于预测激光粉床融合的性能，这是一种添加剂制造工艺。该应用程序在台湾创新空间的混合火箭发动机的3D打印喷油器中节省了时间和金钱。

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布莱恩·克里斯托弗（Brianne Christopher）
2020年10月

台湾的工业技术研究所（ITRI）为台湾创新空间（Tispace）提供3D打印原始设计制造（ODM），重新设计和仿真服务。在ITRI，Tispace Hybrid Rocket发动机中使用的燃料喷油器组件的3D打印过程始于乐观的音符：激光融化并将第一层粉末融合到构建板上，RecOater将下一层的粉末散布在粉末中第一层，激光融化并融合了层。构建继续，一层又一层，没有问题。突然，重新调子果酱。来自激光的热量导致材料中的温度梯度，从而导致层变形，并最终导致堵塞的重新加注者。整个过程终止。

工程师再次尝试。这次，构建已完成，但最终结果是一个带有变形的喷油器，使其无法使用。该小组第三次尝试。和第四。

工程师意识到，他们需要优化整个过程的参数以确保成功的构建，但是反复试验的方法导致浪费时间，努力和成本...

直观且具有成本效益的增材制造过程

激光粉床融合（LPBF）是一种添加剂制造（AM），其中激光融化并融合了粉末。LPBF也是一个全术语，描述了选择性激光熔化（SLM），选择性激光烧结（SLS）和直接金属激光烧结（DML）等过程。在LPBF期间，通常约30-50μm的一层薄层分布在构建平台上。激光融合了模型的第一层，然后滚子或重新调子将下一层粉末散布在第一层。将更多的粉末铺在并融合到整个部分或组件之前。（在过程的变化中，使用电子束代替激光器，并在真空中进行构建。）

LPBF使制造商能够制造复杂的形状，部分原因是激光的高分辨率。这种类型的AM的另一个好处是，可以将一种构建的未使用粉末纳入机器中，并用于制造其他东西，这使AM比其他一些浪费材料的制造工艺更具成本效益。由于这些好处，LPBF用于各种类型的制造业，包括航空航天，汽车和医疗行业。它在牙科应用和珠宝制造中也很常见。

但是，LPBF面临着自己的一系列挑战。首先，该过程涉及高度局部的激光加热，从而导致材料中的热梯度。在印刷零件时，该梯度可以诱导层中的残留热应力和变形。如果这种残余变形变得过大，它可能会导致机器的重新配置组件堵塞，从而终止整个制造过程。如果机械堵塞并终止了构建，则必须重新启动该过程，这会浪费金钱和时间。另一个风险是，成品零件也可以变形，有时超出了最终用户的可接受性限制。

使用LPBF制造火箭发动机组件

ITRI研究了LPBF工艺，以通过制作精良的成品来平衡其成本和时间限制。乐动体育app无法登录AM系统创新部，激光和添加剂制造技术中心（LAMC）的研究人员，包括工程师Wai-Kwuen Choong和Tsung-Wen Tsai，以及经理Steven Lin，优化了制造3D Printed（3DP）的LPBF流程Tispace混合火箭发动机的喷油器组件（图1）。3DP喷油器是由Tispace设计的，以提高发动机混合动力推进剂的混合效率，并利用流体动力学优化的设计。ITRI进一步改善了使用添加剂制造（DFAM）技术设计的设计。正如Wai-Kwuen Choong所说，“这部分的复杂内部流通道和合并的组件特征使其成为LPBF技术的出色演示。”

与LPBF相关的设计挑战在制造喷油器时要考虑。在此大小的一部分中，通常约110 mm x 110 mm x 170 mm，不可避免的热应力积累，并且会导致Z方向（注射器的轴向）的大变形。这种变形可以并且已经导致果酱和系统终止。通过优化LPBF过程以避免变形，ITRI和Tispace可以减少终止构建所产生的浪费时间和成本。

通过机械建模预测未来的结果

通常，使用简化的拇指和反复试验方法预测LPBF过程的结果。一个例子是45°规则，这是一个简单且普遍接受的规则，在添加剂制造领域中，设计应避免在45°悬垂的角度上包含角度，否则它不是3D打印的好候选者。这是因为与下面的层相比，要打印的层会伸出太多，而新层将无法从下面获得足够的结构支撑。该规则不能说明像3DP喷油器这样的复杂和复杂的设计，因此反复试验可以迅速吞噬制造项目的时间和成本。取而代之的是，ITRI使用仿真来预测制成部分的残余应力和变形（图2）。为此，他们转向comsol多物理学^®软件。

为了预测热梯度如何导致喷射器设计中的应力和变形，该团队在初步模拟中实现了固有的应变方法。首先建立了该方法，以快速预测焊接问题中的残余应力和变形，但越来越多地用于解决金属添加剂制造问题。

团队使用了固体力学结构力学模块中的界面进行热机械分析。这样做，他们可以估计制造部分的残余应力和变形。专门用于添加剂制造，激活Comsol中的功能^®软件非常适合建模LPBF中涉及的重复，逐层添加和融合。他们还使用优化模块来优化构建过程中组件的零件方向和支持结构。

将ITRI AMSIM应用程序引入制造工作流程

ITRI团队使用模拟在LPBF过程中成功预测压力和变形结果，但仍然存在一个问题：部署LPBF流程的AM系统制造工程师通常不熟悉模拟。雇用模拟专家这样做只会增加项目的时间和成本。该怎么办？

该团队使用直观的用户界面以及其LPBF模型的专门输入和输出构建了一个仿真应用程序（图3），将其命名为ITRI AMSIM应用程序。应用程序可以从comsol多物理学中的现有模型构建^®使用内置应用程序构建器。模拟应用程序使过程工程师能够预测和评估优化制造过程的构建特性。它包括用于STL文件的输入，弹性或弹性模型（可与非线性结构材料模块一起使用），以及启用或禁用切割过程仿真或拆卸基板的选择。它还包括五种不同粉末材料的选择，包括Ti 6al-4V，一种钛合金；MP1，一种cocrmo合金；PH1和316L，不锈钢类型；和Alsi10mg，一种铝合金。该应用程序的输出是工程师在地板上需要的结果，例如在建筑物阶段和切割后的位移和残留应力分布。

该应用程序的输入基于实验校准，ITRI团队通过不同的扫描策略执行该校准，以提取正确的固有应变向量。该矢量或该矢量的组件根据粉末材料和激光参数（例如激光功率，梁尺寸，扫描速度，孵化尺寸等）而变化。

该应用程序是使用COMSOL COMPILER™的独立执行量编译的。编译的应用程序分配给流程工程师，可以在没有COMSOL多物理的情况下运行^®或Comsol Server™许可证。实际上，ITRI团队由自己的酌处权许可该应用程序，并以三个月的试用为基础将其提供给预期的用户。

当被问及在ITRI和Tispace之间使用仿真应用程序的好处时，Choong回应了节省时间和金钱的好处，并补充说，这与“全部有关成本问题”。

节省应用程序的时间和成本

在构建和部署AMSIM之前，启动了Tispace的3DP喷油器的构建，并使用反复试验进行了四次终止。每次，当重新加重者堵塞或零件本身破裂时，该过程都会失败。引入AMSIM后，测试过程的总时间降低了75％。仿真应用程序使团队能够预测组件的高风险区域，并为设计增加更多支持，从而成功进行。通过物理AM过程进行测试构建大约需要一周，而应用程序模拟则需要一个小时。

计算这些试验的人工，机器和材料成本，并以运行模拟应用程序的成本进一步降低了成本，这段时间降低了83.3％。

最后，将模拟与实际制造过程进行比较时，获得AM过程的结果所需的时间减少了99％。

应用程序增强功能的未来计划

ITRI团队计划改善AMSIM，该AMSIM已经进行了三个迭代，具有用于材料校准的新功能，以及可检测Recoater干扰，模拟支持结构等的功能。他们希望，在该应用程序中添加更高级但更友好的功能将使它比现在更具时间和成本效益，从而进一步通过缩短学习曲线来进一步提高AM行业的入门级用户的投资回报率。

借助ITRI AMSIM应用程序，3D打印过程的准确预览和无故障生产正在接近现实。