用模拟应用程序在增材制造中进行预测

工业技术研究所(Industrial Technology Research Institute)的工程师们构建了一个模拟应用程序,可以用来预测激光粉末床聚变(一种增材制造工艺)的性能。在台湾创新空间为混合动力火箭发动机制造3D打印喷射器的增材制造过程中,该应用程序节省了时间和金钱。


由Brianne克里斯托弗
2020年10月

台湾工业技术研究院(工研院)为台湾创新空间(TiSPACE)提供3D打印原始设计制造(ODM)、重新设计和模拟服务。在工研院,TiSPACE混合火箭发动机所用喷油器部件的3D打印过程始于乐观:激光将第一层粉末熔化并熔合到制造板上,再水器将下一层粉末扩散到第一层,激光熔化并熔合各层。构建继续,一层接一层,没有问题。突然,水塞了。激光产生的热量在材料中造成温度梯度,从而导致各层变形,最终导致堵塞的反冲水。整个过程终止。

工程师们又试了一次。这一次,构建完成了,但最终的结果是一个带有变形的注入器,使它无法使用。小组进行了第三次尝试。和第四个。

工程师们意识到他们需要优化整个过程的参数以确保成功构建,但试错法正在导致浪费时间、精力和成本。。。

直观和成本效益高的增材制造过程

激光粉末床熔接(LPBF)是一种添加剂制造(AM),其中激光将粉末熔化并熔接在一起。LPBF也是一个包罗万象的术语,它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(DMLS)等过程。在LPBF期间,通常约30–50μm的薄层材料散布在构建平台上。激光将模型的第一层熔化,然后用滚筒或重涂机将下一层粉末分散在第一层上。在整个零件或组件制造完成之前,将更多的粉末层摊铺并熔化。(在工艺的一种变体中,使用电子束代替激光,并在真空中进行构建。)

LPBF使制造商能够制作复杂的形状,部分原因是由于激光的高分辨率。这种类型的AM的另一个好处是,从一个建造的未使用的粉末可以合并回机器和用来制造其他东西,这使得AM比其他类型的制造过程更有成本效益,而其他类型的制造过程会浪费材料。由于这些优点,LPBF被用于各种类型的制造,包括航空航天、汽车和医疗行业。在牙科和珠宝制作中也很常见。

然而,LPBF也有自己的一系列挑战。首先,这一过程涉及高度局域激光加热,这导致材料中有一个很大的热梯度。这种梯度会在打印过程中产生残余热应力和变形。如果这种残余变形过大,就会导致机器的再加工部件卡住,从而终止整个制造过程。如果机器堵塞并终止了构建,则必须重新启动该过程,这将浪费金钱和时间。另一个风险是成品可能会变形,有时会超出最终用户的可接受限度。

用LPBF制造火箭发动机部件

ITRI研究LPBF过程,努力平衡其成本和时间限制与制作精良的成品。乐动体育app无法登录研资院激光与增材制造技术中心(LAMC) AM系统创新部的研究人员,包括工程师钟伟坤和蔡宗文,以及经理Steven Lin,该3DP喷油器是由TiSPACE设计的,目的是提高发动机混合推进剂的混合效率,并利用流体动力学优化设计。国际工研院使用增材制造(DFAM)技术进一步改进了设计。正如Wai-Kwuen Choong所说,“该部件复杂的内部流动通道和坚固的部件特性,使其成为LPBF技术的出色演示。”

黑色金属3D打印喷油器组件。
图1所示。3DP注入器组件。

在制造注入器时,与LPBF相关的设计挑战是非常重要的。在这种尺寸的部分,通常是110 mm × 110 mm × 170 mm,热应力的积累是不可避免的,并可能导致在z方向(注射器的轴向)的大变形。这种变形可能——而且已经——导致重镀机堵塞和系统终止。通过优化LPBF流程以避免变形,ITRI和TiSPACE可以减少由于终止构建而造成的时间和成本浪费。

用机械建模预测未来结果

通常,LPBF过程的结果是使用简化的经验规则和试错法来预测的。一个例子是45°规则,这是增材制造领域中一个简单且普遍接受的规则,设计应该避免包含超过45°的悬垂角,否则就不是3D打印的好选择。这是因为要打印的图层会比下面的图层突出太多,而新的图层从下面没有足够的结构支撑。这条规则不考虑像3DP喷射器这样复杂的设计,所以反复试验会很快消耗制造项目的时间和成本。相反,ITRI使用模拟来预测制造零件的残余应力和变形(图2)。为此,他们求助于COMSOL Multiphysics®软件

3D打印喷油器模拟的俯视图显示了彩虹色表格中的残余应力和变形。
3D打印喷油器模拟的侧视图在彩虹色表格中显示残余应力和变形。
图2。3DP喷油器LPBF制造过程的仿真。

为了预测热梯度如何在注入器设计中引起应力和变形,该团队在初步模拟中采用了固有应变法。该方法最初是为了快速预测焊接问题中的残余应力和变形而建立的,但也越来越多地用于解决金属增材制造问题。

团队使用了固体力学在结构力学模块的界面上进行热力学分析。这样做,他们可以估计残余应力和变形在制造零件。专为增材制造激活功能在COMSOL®软件对于LPBF中涉及的重复、逐层添加和融合建模是完美的。他们还使用优化模块在构建过程中优化部件的方向和支撑结构。

将ITRI AMSim应用程序引入到制造流程中

工研院团队利用模拟成功预测了LPBF过程中的应力和变形结果,但仍然存在一个问题:部署LPBF过程的AM系统制造工程师通常不熟悉模拟。聘请一名模拟专家这样做只会增加项目的时间和成本。怎么办?

该团队构建了一个模拟应用程序(图3),具有直观的用户界面和LPBF模型的专用输入和输出,并将其命名为ITRI AMSim应用程序。应用程序可以从COMSOL Multiphysics中的现有模型构建®使用内置的应用程序生成器。模拟应用程序使工艺工程师能够预测和评估优化制造工艺的构建特征。它包括STL文件、弹性或弹塑性模型(可在“非线性结构材料”模块中使用)的输入,以及启用或禁用切割过程模拟或基板移除的选择。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;还有AlSi10Mg,一种铝合金。应用程序的输出是工艺工程师在地板上需要的结果,例如在建造阶段和切割后的位移和残余应力分布。

用于设计和分析3D打印喷油器的模拟应用程序的用户界面,并显示特定设计的驱替结果。
图3。ITRI AMSim应用程序。

该应用程序的输入是基于实验校准的,ITRI团队通过不同的扫描策略来提取正确的固有应变向量。这个矢量,或矢量的组成部分,取决于粉末材料和激光参数,如激光功率、光束大小、扫描速度、舱口大小等。

该应用程序被编译成一个独立的可执行文件使用COMSOL编译器™。编译后的应用程序分发给工艺工程师,它可以在没有COMSOL Multiphysics的情况下运行®或COMSOL Server™许可证。事实上,ITRI团队自行授权了该应用程序,并向目标用户提供了为期三个月的试用。

当被问及在ITRI和TiSPACE的合并项目中使用模拟应用程序的好处时,Choong回应了节省时间和金钱的好处,并补充说,“这完全是成本问题。”

使用应用程序节省时间和成本

在构建和部署AMSim之前,使用试错法在TiSPACE启动和终止了3DP注入器的构建四次。每次,当重水器堵塞或零件本身断裂时,该过程都会失败。引入AMSim后,用于测试流程的总时间减少了75%。仿真应用程序使团队能够预测组件的高风险区域,并为设计添加更多支持,从而成功构建。运行物理AM进程来测试部件构建大约需要一周时间,而应用程序模拟则需要不到一小时的时间。

将这些试验的人工、机器和材料成本与运行模拟应用程序的成本相结合,进一步降低了成本,这一次降低了83.3%。

最后,与真实制造过程相比,获得3DP喷油器AM过程结果所需的时间减少了99%。

应用增强的未来计划

ITRI团队计划改进AMSim,它已经经历了三次迭代,在材料校准、检测重测器干扰、模拟支持结构等方面添加新功能。他们希望,在应用程序中添加更先进但用户友好的功能,将使它比现在更多的时间和成本效益,通过缩短学习曲线,进一步提高AM行业入门级用户的投资回报。

有了工研院的AMSim应用程序,3D打印过程的准确预览和无故障生产越来越接近现实。