面向增材制造控形与控性的多尺度力学设计(2)
- 当颗粒密度较低时,不用考虑颗粒间的相互作用,
- 当颗粒较多时,需要考虑颗粒间的碰撞作用,
- 当颗粒非常稠密时,颗粒间的摩擦力是流体的主导作用力。
图6 金属粉末撒粉过程
影响SLM成形质量的因素有很多,主要可以分为归纳为三类:环境因素、工艺因素和粉末因素。
- 环境因素主要包括打印设备的预热温度、保护气体类型,循环气流量等,
- 工艺因素主要包括激光功率、激光扫描速度、激光扫描路径、铺粉层厚、光斑直径等等,
- 粉末因素主要包括粉末的粒度分布、形貌、氧含量等,
熔池存在传热、对流、传质、气-液界面冶金反应以及固-液界面扩散等复杂的动态多物理场过程。对熔池的研究需要考虑激光的吸收与散射、粉末的熔化、表面张力、合金元素挥发、汽化、对流、辐射、熔池的熔化与凝固、高频次热循环下的固态相变等。安世亚太对熔池的形成过程、以及不同打印工艺参数变化对熔池的影响进行了深入地研究和探索,如图7和8所示。
图 7 熔池的微观物理过程示意 图8 熔池的不同时刻的形态变化
晶格结构的细观力学设计细观尺度是介于微观尺度与宏观尺度之间,细观力学主要研究的是材料在空间上的分布对结构力学性能的影响。其目的是将实际不均匀材料用等效均匀介质来代替,获得与之等效的力学性能常数。
晶格结构也称为点阵结构(Lattice Structure),是某种结构的单胞在空间按照一定的规律组合成的结构,能够承载一定的受力并实现某种特定的功能。晶格结构具有质量轻、比强度高、比刚度高、抗冲击、高散热隔热以及电磁屏蔽等优越的力学性能,当前是3D打印的一个重要研究领域。
晶格结构是由相同或者不同几何形状的晶格单元按照一定的规则组合而成的,所以晶格结构的设计包括晶格单元几何形状的设计和晶格结构的组合设计。晶格单元是组成晶格结构的最小单元,晶格单元的设计方法主要有实体几何构造法、隐式曲面法和拓扑优化法。
图 9 晶格结构的力学性能与填充率的关系
图 10 晶格单元性能数据库晶格种类
不同的晶格单元有着不同的特性,对晶格单元的特性进行研究并建立相应的晶格单元性能数据库才能满足晶格结构的性能要求。
结合安世亚太在仿真设计和增材制造领域多年的积淀,利用参数化建模仿真系统设计并建立了多种增材制造晶格单元的性能数据库,方便我们根据不同的应用场合来挑选合适的晶格单元和相应的晶格单元设计参数,并且可以根据不同晶格的性能特点进行优化组合,采用多种晶格进行拼接设计。见图9和图10所示。
部件系统级的宏观力学设计在宏观尺度上也就是部件系统级上,要实现增材的控形与控性就要从增材打印设备上、增材打印工艺、以及产品结构设计这三个方面去调控与优化。
增材设备性能的好坏直接影响到打印产品的性能,比如若增材设备的成型腔室刚度不足,就会造成打印的产品在成型面上出现变形不一致的现象;如果成型腔室内气流场不佳,在打印过程中有可能会出现烟气颗粒无法顺利排出,进而可能在打印件内部形成缺陷,影响打印件质量。
因此安世亚太针对公司的增材设备产品进行了各种工况下的仿真优化分析,大大提升了设备产品的各项性能指标,为打印产品的控形与控性提供有力的设备支撑。针对公司开发的增材制造设备所进行的仿真优化包括:
- 整机设备强度分析及优化
- 整机设备刚度分析及优化
- 关键部件疲劳分析及优化
- 入口均匀性仿真分析及优化
- 打印腔体内部气流场、温度场仿真分析及优化
- 惰性气体置换流程仿真分析及优化
- 废气置换流程仿真分析及优化
- 烧结烟气排出过程仿真分析
- 打印平台动密封仿真分析及优化
- 整机散热仿真分析及优化
图11 某SLM增材设备的整机散热分析结果(速度云图和温度云图)
文章来源:《实验力学》 网址: http://www.sylxzz.cn/zonghexinwen/2021/0524/641.html