高強度鋁合金構件SLM工藝仿真要點分析*

李 笑，巫曉莉，張 明，王 哲，孫 明

1.北京衛星制造廠有限公司，北京 100190

2.中國空間技術研究院神舟學院，北京 100086

3.湖南科技學院土木與環境工程學院，湖南 永州 425199

1 研究背景

隨著《中國制造2025》的提出，智能建造在建筑行業成為熱點。鋁合金作為一種輕質高強、耐腐蝕性能好、維護費用低、可塑性強、可循環利用、適用于增材制造的材料[1]，已經在大型客機和民用航天等高精尖制造領域得到應用，也為建筑中復雜異型構件的制造提供了新的解決方案。

增材制造又稱“3D打印”，是一種新興的制造成型技術。其原理是以數字模型技術為基礎，利用高功率密度的移動熱源，將粉末或絲狀的原材料進行逐層堆積或定點修復，并制造出物品實體[2]。與傳統的機械加工手段相比，增材制造過程無需模具、材料利用率高、可快速形成復雜幾何結構，除了精密的機械金屬構件，還可以將不規則的異型建筑構件，尤其是雕龍畫鳳的仿古建筑構件一次成型生產出來。激光選區熔化工藝（Selective Laser Melting,SLM）在獲得高致密度和高精度構件方面具有突出的優勢，成為研究的熱點。

2 SLM概述

SLM工藝是在流動的惰性保護氣體中依據構件截面的幾何信息，通過高功率激光沿設定的掃描路徑熔化預先鋪好的金屬粉末，層層堆疊直到構件加工完成。粉末吸收激光熱量融化，同時液相黏度降低，使得金屬液體有足夠時間進行鋪展，減少冶金缺陷，提高構件的綜合性能。

因此，SLM被廣泛應用于尖端領域復雜合金零件的制造，如薩瑞衛星公司研制的鏤空式框架結構衛星，是成形精細復雜結構金屬零件領域最具潛力的增材制造技術之一，但存在以下幾個顯著問題。

（1）制造易產生缺陷。SLM是一個涉及移動熔池、快速非平衡凝固、固態相變的復雜冶金過程，具有非線性、非穩態、長歷程、熱力及流固耦合的特征[3]，制造過程中產生的大量熱應力致使構件發生失效、翹曲、開裂等問題。

（2）質量控制方法性價比低。SLM構件的質量控制方法是通過對加工過程進行數字圖像的多片拍攝，將這些圖像與設計模型的切片進行比較。但這種方法需要大量的“試錯”，構件制造一次成功的概率非常低，極大地浪費了材料、時間以及勞動力。

（3）數值模擬方法實用性差。為了深入理解SLM過程，金屬激光增材制造的數值模擬技術得到了快速發展。目前，數值模擬SLM過程的方法類似于模擬焊接過程，主要分為兩類。一類是基于有限單元法或有限體積法求解SLM過程中的溫度場、變形/熱應力分布以及熔池內流場。采用這類方法模擬SLM過程時，網格尺寸必須小于粉末層厚度，模擬宏觀尺度的SLM過程會造成極高的計算成本。另一類是基于固有應變方法的預測，即不考慮熱循環過程，在結構中施加與固有應變相等的初始應變，通過純彈性有限元分析求解整個結構的變形。這種算法需要在有限元分析、實驗以及工程經驗的基礎上建立龐大的固有應變庫。因為對幾何模型離散采用層切的方式，且每一層為六面體單元，所以當幾何模型為薄壁、細桿或復雜曲面等結構時，離散后的模型與原始模型會產生嚴重的偏差。

鑒于以上問題，考慮SLM是一個跨空間與時間尺度的過程，為了精確、有效地實現真實構件（宏觀尺度）的SLM制造過程仿真，必須選擇一種合適的計算方法。

3 國內外研究現狀

李昊等[4]采用ANSYS建立了金屬粉末SLM有限元分析模型，研究了掃描策略和粉末組分對溫度場和應力場的影響。李雅莉[5]采用ANSYS建立了鋁合金在SLM過程中熱-應力順序耦合有限元模型，研究了激光功率與掃描速度對殘余應力分布規律的影響。戴東華等[6]研究了不同工藝參數條件下熔池表面的溫度場及熔池中W顆粒周圍熔體流場和受力情況。余冠群[7]針對AlSi10Mg粉末SLM過程，建立了介觀尺度下的顆粒熔化/凝固有限體積模型。K?rner等[8]建立了基于LBM法的自由表面流體流動數值模型。

已有的仿真計算為研究SLM過程在微-介觀尺度下的基本物理表現提供了很多的幫助。然而，模擬真實構件的SLM制造過程依然面臨很多挑戰，主要如下：

（1）為實現真實的制造過程模擬，一些商業軟件公司開發了基于固有應變的SLM仿真技術，但不同結構不同位置的固有應變僅可能近似獲得，而且在建模時，與形狀相關的幾何信息被嚴重地簡化。目前尚沒有基于有限單元法跨尺度的預測真實構件的SLM過程的研究結果。

（2）在熔池周圍的區域會快速產生高溫度梯度，導致材料在最終的熱處理之前表現為各向異性的性能。目前的研究忽略了材料的各向異性所導致的構件的性能差異。

（3）利用SLM生產復雜幾何的產品時，往往需要在產品的幾何構型以外添加支撐結構，以減小產品在制造過程中產生的熱應力及變形。支撐結構的設計是否合理直接影響最終的產品性能，但還沒有針對支撐結構的SLM過程仿真的研究。

綜上所述，目前的SLM過程數值模擬技術多局限于微-介觀尺度或簡單幾何的零件，要想建立適用于真實構件的SLM制造過程的仿真技術，還需要進一步研究更為合理的數值計算方法及模型。

4 SLM仿真要點

4.1 使用路徑網格交叉法計算

路徑網格交叉法（Toolpath-Mesh Intersection）于2017年提出，其基本原理是激光掃描路徑可以“穿過”有限元網格，基于當前粉末層的高度計算任意時刻被“穿過”單元的部分單元體積。仿真開始前，實際的打印信息（包括激光功率、掃描路徑/速率等）被重新編譯為基于有限元網格的時間序列。計算開始后，每一個增量步基于時間序列計算在當前增量步的掃描時間內的SLM過程。

基于這種算法，可以利用自由網格離散復雜幾何的構件，同時不受層切的約束，從而使有限元模型更為精確地逼近原始幾何模型。在計算中，可以精確追蹤真實的掃描路徑和鋪粉過程，單元的部分體積積分使“粉-液-固”的計算過程不再局限于劃分網格的激活。這種算法為基于有限元方法跨尺度的SLM過程計算提供了可能，計算中網格的數量可以兼顧考慮計算精度和成本，且不用簡化真實制造過程中數萬層的切片。

4.2 支撐結構均勻化等效

為了更真實地模擬實際構件的制造過程，考慮在數值模型中將支撐結構進行等效處理。通過特殊的單拉試件厘清支撐結構幾何參數與強度之間的關系，通過RVE模型推導出與溫度相關的支撐結構等效導熱系數。

4.3 實驗驗證

在SLM制造過程中，材料表現為各向異性的性能，考慮采用與溫度相關的Hill模型模擬SLM過程。通過不同打印方向試件的拉伸/剪切實驗，確定模型參數。在不同應力狀態下對比仿真與實驗的結果，驗證材料模型。

選取合適的網格尺寸對真實構件進行離散，進行SLM過程仿真。對比預測結果與測量結果，進一步優化仿真模型。基于不同方向的構件SLM過程仿真，給出構件最優化的SLM制造方案。

5 結束語

文章基于路徑網格交叉法，實現了有限元模型的整體優化，完成了SLM過程模擬的跨尺度計算，并直觀地求解增材制造過程中所涉及的溫度、熱應力、變形等問題，揭示了產品的幾何特征、工藝參數、制造過程的匹配與結構變形的相關性，為解決增材制造全尺寸產品的應力分析、變形控制提供了重要的理論支持和工藝指導。