仿真预测增材制造的变形:Ti6Al4V零件

4年前浏览7907

增材打印能够从数字模型制造出功能完整的复杂几何，增材制造(AM)已成为一种成熟的制造技术，其直接从CAD表示中逐层制造零件。AM在过去十年中经历了巨大的发展，航空、国防、汽车和医疗行业已经开始使用这种技术。选择性激光熔炼(SLM)是一种逐层增材制造技术，其零件由粉末制成。将薄的粉末层沉积在已建的托盘上，然后通过扫描激光束选择性地烧结。在这个过程中，材料被局部迅速加热到高于熔点的温度，然后被允许凝固和冷却，形成致密的几何形状。由于热源的高度集**性，使其具有极高的加热和冷却速率，导致很大的热梯度。因此，残余应力和变形是不可避免。

下图示为拓扑优化获得的万向架。

其材料为Ti6Al4V，其化学成分如下表。

使用Magics软件导入* stl文件进行建模。如模型定位和对齐、易于移除支撑的方向选择和支撑结构生成，带有孔洞的壳体支撑结构，网格间隙为2mm。完成这些操作后，数据以其可读的格式被发送到EOS M290机器上，使用激光能量熔化细金属粉末。基板加热至40℃，工艺参数如下表。

使用尺寸为250 x 250 x 40mm的Ti6Al4V构建板，设置1 mbar的惰性气体流量，以达到清洁的加工条件。使用穿孔支撑和打印的实物件，如下图。

一旦构建完成并冷却到室温，使用电火花线切割将支撑部分从构建板上移除，并使用手动工具移除。在支架拆除后，对零件外部轮廓进行CMM测量，没有进行任何热处理。

对原始CAD和实验测量之间的偏差进行分析，以量化变形趋势，下图显示了偏差分析的结果。它清楚地表明，四条腿中的两条腿是扭曲的，可以通过红色的轮廓看到

偏差分析：打印产品和原始CAD几何

增材仿真

通过有限元分析对SLM过程进行仿真。定义了与物理打印相同的工艺参数(激光功率、扫描速度、重新编码时间、层厚等)，生成扫描路径并传递到仿真软件中进行分析。

主要由求解器中的两个模块完成的:网格相交模块和移动热流模块。网格相交模块允许求解器获取机床轨迹信息，以时间、位置和现场数据的形式，将机床轨迹数据与任意网格相交，如此，有限元在分析过程中以渐进的方式被激活，模拟重新编码过程。移动热流模块允许单个或多个不同形状的移动热源作为加载条件应用到网格上。在此分析中，零件和支架分别采用实体四面体和壳单元进行网格划分。

材料性能对于实现准确的结果预测是很重要的。在模拟模型中，所有与温度相关的热特性，如电导率、潜热和比热被定义为传热分析。对于结构分析，Ti6Al4V的机械性能采用Johnson-Cook强化塑性模型。

辐射和对流是设置在不断变化的表面上，这个表面反映任意给定点上零件当前的自由表面形状。求解步设置了顺序耦合热-力分析，以预测温度、变形和残余应力。在传热分析中，构建托盘和粉末的初始温度是根据室温定义的。

传热分析提供了过程的温度历史，然后驱动随后的结构分析来计算变形和应力。在热分析和结构分析中，在生成分析之后添加了额外的步骤，包括将该部分冷却到室温，从生成板中移除该部分，最后从该部分中移除支撑结构。在求解过程中利用模型变换技术进行了零件的去除。在冷却步骤结束和移除支架后观察到的变形如下图所示。

根据仿真结果，将零件外部节点的位移输出提取到一个表格向量场中。然后转换向量场，将预测的位移结果映射到原始几何位置。然后，利用该位移向量场对原始CAD对象进行数字变形，以生成表示预测已建部件的变形几何图形。然后进行偏差分析，量化模拟结果与实验测量值之间的相关性。下图显示仿真结果与实验结果吻合良好，偏差分析多为绿色轮廓。右边的公差图例显示超过80%的点在±2.5mm的公差范围内。

偏差分析：仿真结果和原始CAD几何

结论

选择性激光熔炼是一种复杂的增材制造工艺，材料在快速加热和冷却的过程中会产生残余应力和变形。将零件从板上移除并移除支架后，会放大零件变形等效果。因此，通过有限元分析准确预测变形，对零件的开发和技术的建立起着至关重要的作用。

参考文献

[1] D. R. B. S. Gibson, Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing, New York, Springer, 2009, pp. 1-14.

[2] Pedro A., Joseba E., Iñaki Setien, Maria San Sebastian, Alberto E., Luka E., “Computationally efficient distortion prediction in Powder Bed Fusion Additive Manufacturing,” International Journal of Engineering Research & Science, Vol-2, Issue-10, 2016. pp. 39-46.

[3] C. Casavola, S.L. Campanelli, C. Pappalettere, “Experimental analysis of residual stresses in the Selective Laser Melting process,” Proceedings of the XIth International Congress and Exposition, Orlando, Florida, USA, 2008.

[4] L. Papadakis, A. Loizou, J.R.S.B, “A thermo-mechanical modeling reduction approach for calculating shape distortion in SLM manufacturing for aero engine components,” In: Proceedings of the 6th International Conference on Advanced Research in Virtual and Rapid Prototyping, Portugal, 2013, pp. 613–618.

[5] Michael F. Zaeh Gregor B., “Investigations on residual stresses and deformations in selective laser melting,” Production Engineering, Volume 4, Issue 1, 2010, pp. 35–45.

[6] S.F. Joe Elambasseril, Matthias B. and Milan B., “Influence of Process Parameters on Selective Laser Melting of Ti 6Al-4V Components,” Procedia Manufacturing, Vol. 21, 2018, pp. 92-99.

[7] Haider Ali, Hassan Ghadbeigi, Kamran Mumtaz, “Effect of scanning strategies on residual stress and mechanical properties of Selective Laser Melted Ti6Al4V,” Materials Science & Engineering A, 2018, 712, pp. 175-187.

[8] C.E. Protasov, V.A.Safronov, D.K.Kotoban, A.V. Gusarov, “Experimental Study of Residual Stresses in Metal Parts Obtained by Selective Laser Melting,” 9th International Conference on Photonic Technologies, 2016, pp. 825-832.

[9] L. Mugwagwa, D. Dimitrov, S. Matope, I. Yadroitsev, “Influence of process parameters on residual stress related distortions in selective laser melting,” Procedia Manufacturing 21, 2018, pp. 92-99.

[10] Samer M. Tawfik, Mohamed N.A. Nasr, Hassan A. El Gamal, “Finite element modelling for part distortion calculation in selective laser melting,” Alexandria Engineering Journal, 58, 2019, pp. 67–74.

[11] Shukri Afazov, Willem A.D. Denmark, Borja Lazaro, “Distortion Prediction and Compensation in Selective Laser Melting,” Additive Manufacturing, Vol 17, 2017, pp. 15-22.