金屬SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真中關(guān)于支撐的分析研究（上篇）

作者：賀進
來源：安世亞太

的確，似乎沒人喜歡支撐結(jié)構(gòu)，不但影響生產(chǎn)的產(chǎn)量和成本。這些額外的支撐結(jié)構(gòu)還增加構(gòu)建時間，構(gòu)建成本以及后期處理時間和后期處理的復(fù)雜性。這就帶來了三個層面的減少與優(yōu)化支撐的努力方向，一個層面是通過設(shè)備與工藝技術(shù)來實現(xiàn)更少的支撐，一個層面是通過調(diào)整組件的構(gòu)建角度，達到最大的構(gòu)建自由度，使用優(yōu)化的支撐結(jié)構(gòu)，避免了變形發(fā)生，并使可以很容易地后期去除支撐結(jié)構(gòu)。還有一個層面是通過仿真優(yōu)化支撐的設(shè)計。

本期增材專欄文章《金屬SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真中關(guān)于支撐的分析研究》將分為兩篇，此為上篇，安世亞太的仿真專家從CAE仿真的角度來分析支撐在SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真過程中的作用以及SLM仿真過程中對支撐的處理方式。

本文通過（上篇）支撐類型的區(qū)分，支撐結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分，支撐強度等效處理，（下篇）不同支撐形式對SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真的影響，不同支撐等效強度對SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真的影響，利用仿真分析對零件進行支撐優(yōu)化，來揭示CAE仿真對優(yōu)化支撐設(shè)計的作用。

以激光選區(qū)熔化成型(Selective Laser Melting,SLM)工藝為例，零件成型過程中常出現(xiàn)翹曲變形，產(chǎn)生變形的原因除了與零件本身的結(jié)構(gòu)特征、機器粉末的穩(wěn)定性、成型工藝參數(shù)以外還受成型過程中支撐設(shè)計的影響。

與非金屬增材工藝如光固化立體成型(Stereolithography Apparatus，SLA)相同，SLM選區(qū)金屬熔化在成型過程中常需要添加支撐以保證零件成型。但由于金屬材料在熱、力性能方面與非金屬材料有著較大差別(如密度大、熔點高、彈性模量大等)，成形過程中工件更易變形。因而在成形過程中，不僅要考慮支撐在重力作用下的固定和定位作用，其對傳熱、抗變形性能也要求更高。

國內(nèi)外學(xué)者通過實驗手段對不同支撐設(shè)計情況下零件的變形已開展了大量的研究，而本文將從CAE仿真的角度來分析支撐在SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真過程中的作用，以及SLM仿真過程中對支撐的處理方式。

支撐的作用及類別
-金屬SLM選區(qū)金屬熔化成形中支撐起到的作用

金屬SLM選區(qū)金屬熔化成形過程中對于有懸垂結(jié)構(gòu)的部位，通常來說，目前大多數(shù)金屬SLM選區(qū)金屬熔化設(shè)備所支持的加工工藝當(dāng)懸垂結(jié)構(gòu)與水平方向的夾角小于45°時需要考慮支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)然有的設(shè)備可以達到夾角小于10°時才需要考慮支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。支撐結(jié)構(gòu)可以加強和支持零件與構(gòu)建平臺的穩(wěn)定性，可以帶走零件構(gòu)建過程中多余的熱量，可以防止零件翹曲以及減少零件構(gòu)建過程中的失敗幾率。

支撐的作用詳細解釋如下：

1）為下一層的成形提供支持，防止塌陷
雖然在SLM選區(qū)金屬熔化成形過程中金屬粉末可以為下一層的成形提供支持，但對于工件懸垂部位粉末熔化形成的熔池會在自身重力和毛細作用下塌陷，如果沒有支撐下層鋪粉時刮刀會直接將已成型部分刮走；此外，SLM選區(qū)金屬熔化成形時也需要在零件和基板之間添加支撐結(jié)構(gòu)，方便后續(xù)的線切割操作。


2）熱量傳導(dǎo)，防止熱變形
金屬熔點高，SLM選區(qū)金屬熔化成形過程中在激光作用下粉末將經(jīng)歷熔化和凝固的熱循環(huán)過程，且整個熱循環(huán)作用時間極短，這種驟熱驟冷會積聚大量的熱量，若熱量不能及時傳導(dǎo)出去就會形成熱應(yīng)力集中造成零件的變形。懸垂部位若沒有支撐結(jié)構(gòu)，積聚的熱量只能通過周圍的粉末進行傳導(dǎo)，而粉末的導(dǎo)熱系數(shù)僅為實體的幾十分之一，這些粉末近似起絕熱作用，因此在這些部位極易造成熱應(yīng)力集中導(dǎo)致零件的變形。良好的支撐設(shè)計可以將積聚的熱量進行有效的傳導(dǎo)，從而避免熱變形。

3）防止刮刀碰撞
由熱應(yīng)力集中造成的變形通常是沒有固定的方向性。對于不同的結(jié)構(gòu)，熱引起的變形可能是水平方向上的膨脹或收縮也有可能造成豎直方向的翹曲，而當(dāng)熱引起的變形在豎直方向上超出刮刀的安全距離將會造成刮刀碰撞。發(fā)生刮刀碰撞時，后續(xù)的鋪粉動作將會受到很大的影響，一旦造成鋪粉不均或鋪粉不成功那么后續(xù)的打印過程就將無法進行。對于這種情形，在支撐設(shè)計時除了要考慮支撐的熱傳導(dǎo)作用外還需要對所設(shè)計的支撐的剛度進行評估，即支撐的剛度要足以抵抗由熱應(yīng)力引起的翹曲變形。

除了上述作用外，SLM選區(qū)金屬熔化成形過程中引入支撐還會起到“副”作用，例如添加支撐結(jié)構(gòu)以后將造成打印成本的上升(原材料和時間)，和后處理成本的上升(人工和機加工)；此外支撐的引入有時候會對零件的表面質(zhì)量造成影響。

- 金屬SLM選區(qū)金屬熔化成形中主要的支撐類別
在支撐的具體類別上，SLM選區(qū)金屬熔化主要用到薄壁型的面片支撐和具有一定厚度的實體支撐形式。其中面片支撐在數(shù)據(jù)形式上是一組沒有厚度的STL文件，打印時激光按照路徑進行單道曝光，所形成的支撐厚度就是單道熔池的寬度，面片支撐常用于變形較小的部位起到支持和熱傳導(dǎo)的作用。如下圖1就是利用ANSYS SpaceClaim軟件設(shè)計的面片型支撐，結(jié)合零件的具體特征，在對面片支撐進行設(shè)計時還可以對與零件接觸的齒進行不同的參數(shù)設(shè)計，此外考慮到后續(xù)粉末的去除還經(jīng)常在面片支撐上預(yù)留出粉口，有時為了避免支撐加載在零件上還對面片支撐設(shè)有一定的角度偏移。

圖1 利用ANSYS SpaceClaim設(shè)計的面片支撐

區(qū)別于面片支撐，實體支撐是指具有一定厚度的結(jié)構(gòu)，如用Magics設(shè)計的樹枝型支撐錐形支撐和圓柱形支撐等都是實體支撐。這種實體支撐在打印時通常有對應(yīng)的工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度以及掃描策略等)，且在切片時為了與面片支撐和實體零件加以區(qū)分，在切片后的文件命名方式上就加以體現(xiàn)。例如切片后的零件往往以part.cli命名，面片支撐以s_part.cli命名，而實體支撐則以part_s.cli進行命名(不同的設(shè)備廠家在命名上會有所區(qū)別)。

除此之外，對于存在大變形風(fēng)險的結(jié)構(gòu)，金屬3D打印的工藝設(shè)計人員也常利用CAD軟件(如UG、SolidWorks)等對零件進行一些輔助的實體支撐設(shè)計，這種實體支撐與Magics生成的實體支撐相比，主要區(qū)別在于其打印加工時用到的工藝參數(shù)和零件工藝參數(shù)相同，可以將其視為零件的一部分，只是在打印完成以后需要借助機加工的方式去除。實體支撐相比較于面片支撐具有更好的熱傳導(dǎo)性和較高的剛度，但打印后也更難去除。

SLM仿真過程中對支撐的處理
目前針對金屬SLM選區(qū)金屬熔化的工藝仿真主要是對成形過程中的宏觀應(yīng)力應(yīng)變進行分析，用到的算法有固有應(yīng)變有限元分析方法和熱-結(jié)構(gòu)耦合的熱彈塑性有限元分析方法兩種。為了在有限元計算時將零件和支撐進行區(qū)分，需要對支撐進行一些等效處理。這里以ANSYS Additive Print(基于固有應(yīng)變有限元分析)和ANSYS Workbench Additive(基于熱-結(jié)構(gòu)耦合的熱彈塑性有限元分析)為例，來講解工藝仿真時對支撐的處理方式。

-支撐類型的區(qū)分

根據(jù)零件的實際支撐設(shè)置情況，在進行有限元分析時需要對導(dǎo)入計算的支撐進行區(qū)分。目前ANSYS Additive Print和ANSYS Workbench Additive對面片支撐和實體支撐都進行了區(qū)分導(dǎo)入，如下圖2所示是利用ANSYS Additive Print對懸臂梁模型進行分析時可以選擇支撐類型，其中Volume-less STL對應(yīng)的是面片型支撐，Standard STL對應(yīng)的是實體型支撐。此外，有限元分析軟件也可以根據(jù)零件的幾何特征對需要加支撐的面進行識別并自動生成支撐，如圖3所示是利用ANSYS Workbench Additive自動生成的支撐。

圖2 ANSYS Additive Print中對支撐的區(qū)分

圖3 ANSYS Workbench Additive自動生成的支撐

-支撐結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分
目前無論是用固有應(yīng)變有限分析方法還是熱-結(jié)構(gòu)耦合的熱彈塑性有限元分析方法進行SLM選區(qū)金屬熔化的宏觀工藝仿真，對于模型的網(wǎng)格劃分都用到體素法(Cartesian Mesh)如下圖4所示。

圖4 SLM選區(qū)金屬熔化工藝仿真時的體素法網(wǎng)格劃分(Cartesian Mesh)

如圖4所示，在利用體素法對模型進行網(wǎng)格劃分時網(wǎng)格的質(zhì)量較差，特別是模型的局部細節(jié)特征不能夠很好的進行表征。而對于面片型支撐而言，由于支撐是無厚度的stl型數(shù)據(jù)，若直接用零件的體素大小對支撐進行劃分將會造成很大的計算誤差。因此ANSYS Additive Print和ANSYS Workbench Additive對支撐進行有限元網(wǎng)格劃分時將采用亞體素法(subvoxel)的方式進行。

圖5 支撐的亞體素劃分模型

所謂亞體素法就是首先支撐會根據(jù)體素法進行網(wǎng)格的初劃分，網(wǎng)格生成以后通過調(diào)整sample rate這個系數(shù)對一個體素單元進行二次劃分，例如當(dāng)sample rate被設(shè)置成2時，則體素單元將被劃分成8(2╳2╳2)個亞體素；當(dāng)sample rate被設(shè)置成5時，則體素單元將被劃分成125(5╳5╳5個亞體素)，再計算支撐所占有的亞體素數(shù)目與整個亞體素數(shù)的比例，利用所占的亞體素密度來表征支撐的網(wǎng)格密度如上圖5所示。


-支撐強度等效處理
實際打印過程中支撐和零件所用到的材料是一致的但打印工藝參數(shù)是不相同的，因此加工出來的力學(xué)性能也不相同。在利用固有應(yīng)變進行SLM選區(qū)金屬熔化的工藝仿真時，材料的屈服強度和彈性模量對固有應(yīng)變的大小有直接的影響，為了在仿真時對零件和支撐加以區(qū)分需要對支撐的強度進行等效處理。

如在ANSYS Additive Print中就引入了support yield strength ratio來對支撐的屈服強度和彈性模量進行弱化處理；在剛度等效方面，根據(jù)實際打印過程中支撐的厚度(主要針對面片型支撐)，在進行工藝仿真時也同樣給支撐賦予與實際打印相同的厚度從而完成剛度的等效處理如下圖6所示，在ANSYS Workbench Additive中就可以根據(jù)實際打印出來的面片支撐特點在有限元計算時對支撐進行設(shè)計。

圖6 ANSYS Workbench Additive中面片支撐的設(shè)置

參考文獻：
【1】張小川, 康進武 , 融亦鳴, 吳朋越, 等.增材制造中的支撐設(shè)計[J].熱加工工藝, 2018,47(12):1-12
【2】ANSYS Additive Users’ Guider(Print and Science), Realease 2019R2, 2019

—作者—
賀進
多年從事于金屬增材制造的設(shè)備開發(fā)、工藝開發(fā)和材料研究等工作，現(xiàn)為安世中德咨詢有限公司增材制造與先進設(shè)計應(yīng)用工程師。