CN108062432A - 一种激光选区熔化过程的数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光选区熔化过程的数值模拟方法：第一步：增材制造过程仿真的有限元模型建立；第二步：增材制造过程有限元模型网格划分，采用全六面体网格划分；第三步：定义打印粉末材料属性，增材制造过程温度场分析必须确定的热物理性能参数；第四步：移动热源的加载其控制方程；第五步：增材制造过程及烧结结束后热应力场及总变形量变化分析。本发明的数值模拟方法，提供一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，能优化打印参数、防止零件发生翘曲、变形；为支撑结构设计，打印策略(速度，方向)，降低废品率，做到“一次成功”提供有效指导。
Description
技术领域
本发明属于激光打印技术领域，具体涉及一种激光选区熔化过程的数值模拟方法。
背景技术
激光选区熔化技术(3D Printing Technology)是一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印金属粉末等材料来成形物体模型的技术。其成形原理是：先在计算机上利用CAD软件设计出零件的三维实体模型，再通过切片软件对三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，由轮廓数据生成填充扫描路径，设备将按照填充扫描线，控制激光束选区熔化各层金属粉末材料，逐步堆叠成三维金属零件。
激光选区熔化技术是近些年来制造领域的一个重大成果，被认为是第三次工业革命的前奏，其可快速、精确地将设计转变为具有一定功能的原型或制造零件，涉及机械制造、航空航天及医疗生物等领域。
激光选区熔化技术由于其能高效、精密的成型传统加工无法成形的零件，而被越来越多的研究人员所关注。近年来，大部分航空航天类零件都具有复杂的外表面和内腔结构对传统制造业带来巨大的冲击与挑战，而增材制造技术凭借其内在的优势在这些方面要明显优于传统制造技术。然而，在其成形过程中，由于激光束急速加热、迅速冷却，不可避免地会引起热应力分布的显著不均衡，现有金属粉末选择性激光成形过程中，零件存在翘曲、变形、裂纹等现象时而出现。
针对目前增材制造领域零件成形过程中应力所产生的诸类缺陷，研究者们试图通过改善工艺、调试参数去完善，由于缺乏经验、依赖试错方式、材料成本投入巨大而影响企业经济效益。而传统有限元仿真技术同样不能满足增材制造的特殊性和技术研究的需求。由于增材制造过程需要考虑金属金相变化的时域热机耦合仿真，传统仿真需几百个小时才能得到仿真结果，远远跟不上设计开发进程，大大削弱了增材制造本身的“快速原形制造”的优势；增材制造仿真的有限元网格需要严格地与CAD的逐层切片保持一致，这就给利用目前的通用网格划分软件进行建模带来了极大困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光选区熔化过程的数值模拟方法。针对目前零件实际打印过程中存在的翘曲、变形问题，通过CAE仿真整个打印过程，预测零件最终的变形及残余应力分布，为支撑结构设计、降低废品率，提供有效指导。
本发明所采用的技术方案是，一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，具体包括如下步骤：
第一步：增材制造过程仿真的有限元模型建立；
第二步：增材制造过程有限元模型网格划分，且模型采用全六面体网格进行划分；
第三步：定义打印粉末材料属性、增材制造过程温度场、应力场分析必须确定的热物理性能参数及力学性能参数；
第四步：增材制造过程移动热源控制方程的确定及热源的加载；
第五步：增材制造过程及打印结束后热应力场及总变形量变化分析。
本发明的特点还在于：
第一步具体按照以下方法实施：
针对增材制造实体零件，在三维软件中建立打印模型的CAD实体模型；通过模型分层处理软件，创建三维实体模型的三角面片颗粒单元；再通过对三角面片颗粒单元进行增材制造过程的装配叠加，将三维实体模型和增材制造过程联系在一起构建有限元模型，建模的过程与增材制造的过程保持一一对应。
第二步中：采用全六面体网格划分，在激光光斑烧结区60um～500um区域，由于温度梯度较大，网格密度应保持高密度聚集；在距离激光光斑烧结区500um之外区域，由于梯度大大减小，网格划分应保持逐渐增大趋势，最大网格尺寸不能超过python语言中设置的最大网格尺寸边长5mm，本次体网格最小单元应控制在1mm以内。
第三步中：
热物理性能参数包括：导热系数W/m·℃、对流系数W/m2·℃、密度Kg/m3、比热J/Kg·℃、熔点℃以及基材零件的初始温度℃；
针对应力应变场模拟必须要确定的热物理性能参数有：泊松比、弹性模量N/m2、热膨胀系数1/℃和屈服极限MPa；
基材的初始温度根据不同的打印材料所确定，初始设定60℃。
第四步中：
计算公式的选取满足SLM过程的激光热源控制方程，如下所示：
式中：K(T)，ρ(T)，C(T)分别是热导率、密度、比热容；Q为激光内热源温度；T为激光瞬态加热温度；激光层高：0.03-0.04mm；激光宽度：0.1mm；激光功率：310w；激光扫描速度：980mm/s；激光能量有效利用率50％；打印粉末为G01；
通过二次开发参数化设计语言模拟整个过程的温度场及热应力场；在求解过程中，整个过程整体采用单元激活法进行逐步耦合迭代，第1次循环假设模型具有统一的初始温度T和初始边界条件；在随后的循环中，首先去除上一层的热源输入，在下层位置上添加热源，并将上一层的计算结果作为本次的初始条件来计算热传导矩阵和比热容矩阵；逐步循环下去，直到所有激光烧结层数全部烧完。
第五步具体实施方法如下：
采用数值间接法，将温度场的计算结果导入应力场计算中，进而得出整个增材制造过程的热应力场和总变形量。
本发明的有益效果在于：
本发明基于有限元仿真技术，通过利用“离散建模”、“宏观应变”理论仿真整个3D打印过程，获得零件在打印过程中实时的温度场、热应力场分布，以及打印结束后整个零件的残余应力分布及变形趋势，从而对于优化打印参数、防止零件由于残余应力过大引起的翘曲、变形、产生裂纹等现象具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例中增材制造典型实体零件的示意图；
图2是本发明实施例中仿真零件的全六面体网格化模型示意图；
图3是本发明实施例中增材制造粉末的塑性应变与应力函数关系曲线图；
图4是本发明实施例中增材制造过程烧结结束后总刚度变形量分布云图；
图5是本发明实施例中增材制造过程烧结结束后局部变形趋势分布图；
图6是本发明实施例中增材制造过程烧结结束后总强度等效应力分布云图；
图7是本发明实施例中x＝5mm处方向的最大变形量分布曲线。
图4～图6的原图为彩色图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种激光选区熔化过程的数值模拟方法中采用如下技术：
1.将打印零件三维模型数字化离散处理；
3D打印过程是通过逐层完成对材料的叠加，最后堆叠形成整个打印件；将打印零件三维模型进行数字化离散处理，即将CAD模型文件转化成具有切片层的数字化模型；该模型在尺寸上与原模型误差应该在工程要求的误差内；其中，整个切片层厚度和激光扫描轮廓路线的转化是仿真过程的关键。
2.增材制造过程仿真的有限元模型建立；
与传统结构有限元建模不同的是，增材制造不是将一个结构细分为有限个单元，而是将一个结构划分为不同的层面，再通过点和线条构件每一层的网格模型；另一方面，其不是将一个完整的物理模型处理成数学模型，而是将物理模型和物理过程联系在一起构件数学模型，建模的过程与增材制造的过程应该一一对应。
3.打印粉末材料高温参数属性、热源模型的确立；
当下的有限元仿真软件已经提供了大量的材料物理性能及力学性能参数，但在3D打印过程的仿真中，打印粉末材料的热传导系数、热辐射、对流换热系数和相变潜热系数很多时候都要考虑与温度相关的完全非线性瞬态变化情况；激光热源的移动施加要先选择一个适合3D打印过程的热源模型，再通过有限元二次开发python脚本化语言实现自定义，这样热源模型能够更加直接与3D打印工艺中的相关参数对接起来。
4.打印过程等效应力场的模拟及总变形量的求解；
求解等效应力场时，需考虑3D打印层与层之间迭代分析步的处理，以及对流和辐射等边界条件转转化与施加。在求得温度场的基础上可以采用顺序耦合的办法求解热应力场、位移场、总变形量的结果。
本发明一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，具体包括有以下步骤：
第一步：增材制造过程仿真的有限元模型建立；
针对增材制造典型实体零件(不带支撑、含各种打印过程易产生应力集中的特殊特征)如图1所示，在三维软件中建立打印模型的CAD实体模型；通过模型分层处理软件，创建三维实体模型的三角面片颗粒单元；再通过对颗粒单元进行增材制造过程的装配叠加(即布尔求和)，将物理模型和增材制造过程联系在一起构建有限元模型，建模的过程与增材制造的过程保持一一对应。
第二步：增材制造过程有限元模型网格划分；
将面片网格化的实体单元进行网格划分，网格划分采用全六面体网格划分，以防止四面体网格对复杂零件打印过程的划分出错。
全六面体网格能快速对应任何复杂的增材制造零件，全六面体网格化模型如图2所示；全六面体网格划分的具体方法为：在激光烧结区的附近，由于温度梯度较大，网格密度应该相对密集；在离激光束偏远处，由于梯度大大减小，网格划分应相对稀疏，最大网格尺寸不能超过设置最大网格尺寸边长，本次体网格选择最小单元控制为1mm以内。
第三步：定义打印粉末材料属性、增材制造过程温度场、应力场分析必须确定的热物理性能参数及力学性能参数；
热物理性能参数包括有：导热系数(W/m·℃)、对流系数(W/m2·℃)、密度(Kg/m3)、比热(J/Kg·℃)、熔点(℃)以及基材零件的初始温度(℃)；
针对应力应变场模拟必须要确定的热物理性能参数还有：泊松比、弹性模量(N/m2)、热膨胀系数(1/℃)和粉末屈服极限(MPa)这些参数值。
在本发明中，基材的初始温度根据不同的316L-power粉末打印材料所确定，设定初始温度为60℃。
增材制造过程仿真属于过程完全非线性瞬态分析，现有粉末材料高温接近熔化状态的参数依旧空白，如：热导率和比热容、线膨胀系数，虽然其随温度变化而变化，但由于增材制造过程中热塑性导致完全非线性的残余应变的产生，使其最终分析结果与过程密切相关；为解决这一问题，本发明采用的方式是：通过在计算机辅助软件(有限元软件)中输入典型温度值的热物理性能参数，建立参数的工程数据库，通过建立脚本化二次开发语言进行插值法和外推法来确定未知温度处的物理性能及力学性能参数如图3所示，由图3中增材制造过程中粉末的塑性应变与流变应力随温度的变化趋势如图曲线分布可看出：随着粉末材料温度越高，其流变应力越小，塑性应变值越大。
第四步：增材制造过程移动热源控制方程的确定及热源的加载；
热源计算公式的选取满足SLM过程的激光热源控制方程，如下所示：
式中：K(T)，ρ(T)，C(T)分别是热导率、密度、比热容；Q为激光内热源温度；T为激光瞬态加热温度；激光层高：0.03-0.04mm；激光宽度：0.1mm；激光功率：310w；激光扫描速度：980mm/s；激光能量有效利用率50％；打印粉末为316L-power。
通过二次开发参数化设计语言模拟整个过程的温度场及热应力场；在求解过程中，整个过程整体采用单元激活法进行逐步耦合迭代，第1次循环假设模型具有统一的初始温度T和初始边界条件；在随后的循环中，首先去除上一层的热源输入，在下层位置上添加热源，并将上一层的计算结果作为本次的初始条件来计算热传导矩阵和比热容矩阵等等；逐步循环下去，直到所有激光烧结层数全部烧完。
第五步：增材制造过程及打印结束后热应力场及总变形量变化分析；
所采用的具体方法为：利用温度场所求间接结果采用数值间接法，将温度场的计算结果导入应力场计算中，进而得出整个增材制造过程的热应力场和位移变化结果。
从图4中能得出：增材制造过程中零件的最大变形量约为0.8mm，变形趋势如图5中的箭头所指，透明阴影区域为几何模型的初始位置。模型整体变形以法兰右端处为主，呈现不同程度的翘曲，法兰侧壁及底板前段也出现了微略翘曲变形；另一侧壁处及尖角区域也出现微弱的集中变形。等效应力分布如图6所示，在各种拐角处应力分布较为集中。图7为x＝5mm处方向的最大变形量分布曲线，由图7可知：在打印方向上最大变形量呈抛物线状分布。
本发明一种激光选区熔化过程的数值模拟方法的关键点在于：
(1)将打印零件三维模型进行数字化离散处理，将三维模型设计成为有切片的数字化模型。
(2)整体三维建模的过程与增材制造的过程应该一一对应，而非利用传统设计软件构建，网格划分突破传统四面体网格划分束缚，采用全六面体网格进行模型的网格划分，不仅提高有限元计算的精度性，同时提高仿真的精确度。
(3)仿真全过程采用“离散建模”、“宏观应变”理论，单元激活法，对平衡的迭代、自适应的下降和时间步长的确定。
Claims (6)
1.一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，其特征在于，具体包括有如下步骤：
第一步：增材制造过程仿真的有限元模型建立；
第二步：增材制造过程有限元模型网格划分，且模型采用全六面体网格进行划分；
第三步：定义打印粉末材料属性、增材制造过程温度场、应力场分析必须确定的热物理性能参数及力学性能参数；
第四步：增材制造过程移动热源控制方程的确定及热源的加载；
第五步：增材制造过程及打印结束后热应力场及总变形量变化分析。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第一步具体按照以下方法实施：
针对增材制造实体零件，在三维软件中建立打印模型的CAD实体模型；通过模型分层处理软件，创建三维实体模型的三角面片颗粒单元；再通过对三角面片颗粒单元进行增材制造过程的装配叠加，将三维实体模型和增材制造过程联系在一起构建有限元模型，建模的过程与增材制造的过程保持一一对应。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第二步中：采用全六面体网格划分，在激光光斑烧结区60um～500um区域，由于温度梯度较大，网格密度应保持高密度聚集；在距离激光光斑烧结区500um之外区域，由于梯度大大减小，网格划分应保持逐渐增大趋势，最大网格尺寸不能超过python语言中设置的最大网格尺寸边长5mm，本次体网格最小单元应控制在1mm以内。
4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第三步中：
热物理性能参数包括：导热系数W/m·℃、对流系数W/m2·℃、密度Kg/m3、比热J/Kg·℃、熔点℃以及基材零件的初始温度℃；
针对应力应变场模拟必须要确定的热物理性能参数有：泊松比、弹性模量N/m2、热膨胀系数1/℃和屈服极限MPa；
基材的初始温度根据不同的打印材料所确定，初始设定60℃。
5.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第四步中：
计算公式的选取满足SLM过程的激光热源控制方程，如下所示：
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式中：K(T)，ρ(T)，C(T)分别是热导率、密度、比热容；Q为激光内热源温度；T为激光瞬态加热温度；激光层高：0.03-0.04mm；激光宽度：0.1mm；激光功率：310w；激光扫描速度：980mm/s；激光能量有效利用率50％；打印粉末为G01；
通过二次开发参数化设计语言模拟整个过程的温度场及热应力场；在求解过程中，整个过程整体采用单元激活法进行逐步耦合迭代，第1次循环假设模型具有统一的初始温度T和初始边界条件；在随后的循环中，首先去除上一层的热源输入，在下层位置上添加热源，并将上一层的计算结果作为本次的初始条件来计算热传导矩阵和比热容矩阵；逐步循环下去，直到所有激光烧结层数全部烧完。
6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化过程的数值模拟方法，其特征在于，所述第五步具体实施方法如下：
采用数值间接法，将温度场的计算结果导入应力场计算中，进而得出整个增材制造过程的热应力场和总变形量。
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