金屬SLM工藝仿真中關(guān)于支撐的分析研究

作者：賀進   安世亞太

近年來隨著增材制造技術(shù)的逐步發(fā)展和成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷加深和拓寬。相比較于非金屬增材制造，金屬增材制造在工業(yè)領(lǐng)域表現(xiàn)得更具發(fā)展?jié)摿�。但金屬增材制造的發(fā)展也仍然面臨著很多挑戰(zhàn)。以激光選區(qū)熔化成型SLM(Selcetive Laser Melting)工藝為列，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SLA(Stereo lithography Apparatus)相同，SLM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工藝仿真過程中的作用。

1 金屬SLM成形支撐的作用及類別
1.1 金屬SLM成形中支撐起到的作用
金屬SLM成形過程中對于有懸垂結(jié)構(gòu)的部位，且當懸垂結(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，支撐結(jié)構(gòu)起到的作用可總結(jié)為如下幾點：

1）為下一層的成形提供支持，防止塌陷
雖然在SLM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，防止熱變形
金屬熔點高，SLM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，而粉末的導熱系數(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，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)；此外支撐的引入也會對零件的表面質(zhì)量造成影響。

1.2 金屬SLM成形中主要的支撐類別
在支撐的具體類別上，SLM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性和較高的剛度，但打印后也更難去除。

2 金屬SLM工藝仿真過程中對支撐的處理
目前針對金屬SLM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。
2.1 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

2.2 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。

2.3 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性能也不相同。在利用固有應(yīng)變進行SLM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

3 支撐設(shè)計對SLM工藝仿真結(jié)果的影響
在CAE仿真手段沒有應(yīng)用到SLM的工藝過程仿真之前，對于成形過程中存在的各種成形風險，工藝設(shè)計人員只能通過實驗的方式一遍一遍的去嘗試，再通過幾輪迭代來完成產(chǎn)品的打印。而目前無論是基于固有應(yīng)變法還是熱-結(jié)構(gòu)耦合的熱彈塑性法的SLM宏觀工藝仿真，都能對SLM成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變、刮刀碰撞區(qū)域、高應(yīng)變區(qū)域以及每一層的打印情況做出分析并做出預(yù)判。工藝設(shè)計人員可以結(jié)合仿真的結(jié)果對SLM的工藝設(shè)計方案(如擺放方向、支撐設(shè)計等)進行改進，從而減少打印失敗的風險，提高SLM的成功打印效率。下面就借助ANSYS Additive Print對圖2中的懸臂梁模型進行計算，分析不同的支撐設(shè)計形式和不同支撐等效強度(Support Yield Strength Ratio)對零件SLM工藝仿真結(jié)果的影響。

3.1 不同支撐形式對SLM工藝仿真的影響
利用ANSYS Additive Print中的Assumed Strain模式進行計算，材料為AlSi10Mg表現(xiàn)行為為J2 plastic，體素為0.5，Voxel Sample Rate為5，Support Yield Strength為0.5。支撐的設(shè)計類型如下表1所示，計算結(jié)果如下圖7所示。
表1 不同的支撐設(shè)計類型

方案一計算結(jié)果

方案二計算結(jié)果

方案三計算結(jié)果

圖7 不同支撐設(shè)計類型下計算得到的結(jié)果

其中A1,A2,A3代表變形結(jié)果；B1,B2,B3代表刮刀碰撞結(jié)果；C1,C2,C3代表應(yīng)力計算結(jié)果

從圖7可以看出，不同的支撐設(shè)計會到SLM工藝仿真后的變形、刮刀碰撞以及應(yīng)力分布都帶來影響。這里只是以簡單的懸臂梁為例來展示仿真可以對不同的支撐設(shè)計方案做出分析，對于實際的打印模型設(shè)計人員需要對結(jié)果進行分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對工藝方案進行改進。

3.2 不同支撐等效強度對SLM工藝仿真的影響
前面提到金屬SLM工藝仿真時需要對支撐的強度進行等效處理，下面同樣以ANSYS Additive Print來計算方案二在相同的cone實體支撐情況下，通過改變支撐等效強度因子(Support Yield Strength Ratio)來分析對SLM工藝仿真結(jié)果的影響，計算結(jié)果如下圖8所示。

圖8 (a) Support Yield Strength Ratio=0.5時SLM工藝仿真結(jié)果

    (b) Support Yield Strength Ratio=0.2時SLM工藝仿真結(jié)果

圖8（a）（b）分別是當Support Yield Strength Ratio等于0.5和0.2時對懸臂梁模型以及支撐的工藝仿真結(jié)果。從仿真后的變形、刮刀碰撞以及應(yīng)力分布情況來看，對于圖2中的懸臂梁模型改變支撐的等效強度對工藝仿真結(jié)果的影響要比支撐設(shè)計模式帶來的影響大。

3.3 利用仿真分析對零件進行支撐優(yōu)化
圖9是利用ANSYS Additive Print對實際打印過程中的兩個模型通過仿真分析對支撐進行優(yōu)化的結(jié)果。

圖9(a) (b)利用ANSYS Additive Print對支撐進行優(yōu)化

圖10是針對圖2的懸臂梁模型利用ANSYS Additive Print計算的基于應(yīng)力分布得到的優(yōu)化支撐，其中圖10(a)是優(yōu)化得到的實體支撐形式，圖10(b)是優(yōu)化得到的面片支撐形式。實體支撐和面片支撐的細節(jié)特征可以通過調(diào)整圖10(c)中的參數(shù)來進行調(diào)節(jié)。

圖10(a)利用ANSYS Additive Print優(yōu)化得到的實體支撐

(b)利用ANSYS Additive Print優(yōu)化得到的面片支撐

(c) ANSYS Additive Print中支撐優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)

4 SLM支撐工藝仿真的不足和展望
SLM 中支撐設(shè)計與成形材料、工件結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、接觸形式、分布數(shù)量等多方面的因素有關(guān)，雖然目前借助成熟的有限元分析軟件可以對成形過程中由于支撐設(shè)計的不同而導致成形失敗的風險做出預(yù)測但對于真正的工程需求而言，目前對支撐的工藝仿真還是遠遠不足的，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)  目前對于支撐的網(wǎng)格劃分都采用亞體素法，這種用亞體素密度來代替網(wǎng)格密度的方法會給計算帶來很大誤差，新的關(guān)于支撐的網(wǎng)格劃分方法仍然需要改進；
2)  目前關(guān)于SLM的工藝仿真中沒有考慮實際打印過程中支撐的工藝參數(shù)，只是利用強度等效的方法對支撐進行等效處理，這種等效也會給計算帶來很大的誤差，因此工藝仿真時需要將支撐打印的工藝參數(shù)考慮進去；
3)  目前的工藝仿真主要集中在宏觀的應(yīng)力應(yīng)變情況，沒有將支撐的導熱效率考慮進去；
4)   對于支撐添加后的可去除性也尚無仿真分析軟件進行研究；
5)   利用有限元仿真得到的基于應(yīng)力分布的支撐，其支撐結(jié)構(gòu)尚需要進一步優(yōu)化才能夠更好的應(yīng)用于實際打印過程中。
金屬SLM成形過程中支撐設(shè)計是非常重要的工藝設(shè)計環(huán)節(jié)，支撐設(shè)計的是否合理將直接影響到后續(xù)的成形，圍繞金屬支撐仍然有大量工作需要開展。相信在國內(nèi)外學者以及業(yè)內(nèi)人士的共同努力下，更新、更加穩(wěn)定以及更具經(jīng)濟效率的支撐結(jié)構(gòu)將被應(yīng)用到實際打印過程中。這些支撐結(jié)構(gòu)在推動金屬SLM走向更深更廣的應(yīng)用領(lǐng)域過程中將會發(fā)揮積極重要的作用。

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。