热模拟和翘曲预防

1。简介：粉床上看不见的敌人

在激光粉床熔融 (PBF-LB) 工艺中，激光在 1,500 °C 以上的温度下熔融金属粉末。周围的粉末和下面的层通常只有 200 °C 热。这种以毫秒为单位的巨大温度梯度会导致极端的热膨胀和冷却时的快速收缩。

结果是产生巨大的残余应力。如果这些应力大于材料的屈服点，部件就会向上弯曲（翘曲），从支撑结构上撕裂，或者在最坏的情况下，导致重涂机堵塞（崩溃），这会立即破坏持续数天的施工工作。

2。热模拟成为救世主

如今，业界不再根据试错原则进行打印，也不会在崩溃后浪费数天的机器时间，而是使用热机械仿真软件（例如 Simufact Additive、Amphyon 或 Ansys）。该软件实际上预先计算了整个打印过程。

• 基于体素的计算：CAD 模型被分解为小立方体（体素）。该软件计算每层的热输入、膨胀和收缩行为。
• 应力可视化：设计人员可以在屏幕（红色）上看到内应力最大的位置以及组件有破裂风险的位置。

3。防止翘曲的措施

如果模拟显示组件会变形，工程师可以使用多种工具：

• 预变形：这是最优雅的技巧。当模拟计算出零件的角向上弯曲时，软件会故意使 CAD 模型向相反方向扭曲（角向下弯曲）。当组件因真实压力下的热量而向上拉时，它会准确地落在所需的、尺寸稳定的目标几何形状中。
• 对齐（方向）的优化：在安装空间中将组件旋转几度通常就足够了。实心横截面不应与刮刀线平行，因为激光会在狭小的空间内引入过多的热量。
• 曝光策略：激光不必顽固地从左到右扫描。 “棋盘”或“岛”策略将热量输入均匀地分布在整个组件上，从而减少应力峰值。

4。障碍：计算时间

在超级计算机上，对微观层面数万层中的每一层进行物理上绝对正确的计算需要数周时间。因此，业界经常使用宏观方法或替代模型（固有应变法），这大大简化了过程，以便在短短几个小时内提供结果。这是计算精度和实际速度之间的平衡行为。

5。结论：一次成功

热模拟在增材系列生产中是不可或缺的。目标是“一次成功”——第一次打印尝试必须生产出可用的组件。如果不使用预测仿真软件，由钛或镍基合金制成的复杂部件的经济风险实在太高。