臺灣工業(yè)技術(shù)研究院的工程師使用 COMSOL Multiphysics? 創(chuàng)建的仿真 App，可用于預(yù)測增材制造工藝——激光粉末床熔融的特性。該仿真 App 為臺灣創(chuàng)新空間的固液火箭發(fā)動機(jī)噴射器增材制造過程節(jié)省了時間和資金。

臺灣工業(yè)技術(shù)研究院（ITRI）為臺灣創(chuàng)新空間（TiSPACE）提供增材制造（也稱 3D 打印技術(shù)）服務(wù)，包括原始設(shè)計制造、重新設(shè)計和仿真等。TiSPACE 的固液火箭發(fā)動機(jī)中使用的燃料噴射器組件的 3D 打印過程為：首先，激光將第一層粉末熔化并融合到構(gòu)建板上，涂覆機(jī)將第二層粉末均勻散布在第一層上；然后，激光再次將粉末熔化并融合……此過程依次連續(xù)進(jìn)行。突然，涂覆機(jī)發(fā)生堵塞。激光的熱量在材料中引起溫度梯度，從而導(dǎo)致涂層變形，并最終導(dǎo)致涂覆機(jī)堵塞，整個構(gòu)建過程停止。

檢修故障后，工程師再次嘗試構(gòu)建。這次雖然完成構(gòu)建，但最終結(jié)果是噴射器變形，從而無法使用。該小組繼續(xù)第三次、第四次嘗試……

工程師意識到他們需要優(yōu)化整個過程的參數(shù)以確保構(gòu)建成功，但是反復(fù)試驗(yàn)的方法會浪費(fèi)大量的時間、精力和成本。

便捷、經(jīng)濟(jì)的增材制造工藝

激光粉末床熔融（LPBF）是一種增材制造技術(shù)，它利用激光將粉末熔化并融合在構(gòu)建板上。激光粉末床熔融是一個廣義的術(shù)語，它涵蓋了諸如選擇性激光熔化（SLM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）等多種過程。在激光粉末床熔融過程中，通常將大約 30 ~ 50 μm 的薄層材料均勻散布在構(gòu)建平臺上，用激光熔融模型的第一層，然后用輥?zhàn)踊蛲扛矙C(jī)將第二層粉末散布在第一層上；依次類推，逐步散布更多的粉末并融合在一起，直到完整的零件或組件構(gòu)建完成。（在該過程中，可以使用電子束代替激光，并在真空中進(jìn)行組裝。）

由于激光的高分辨率，激光粉末床熔融使得制造商可以制造復(fù)雜的形狀。另外，增材制造技術(shù)還可以將一次構(gòu)建中未使用的粉末重新?lián)饺霗C(jī)器中，用于制造其他產(chǎn)品。這使得增材制造的成本效益高于其他耗費(fèi)材料的制造過程。由于這些優(yōu)點(diǎn)，激光粉末床熔融可用于多個領(lǐng)域的制造加工，包括航空航天、汽車和醫(yī)療行業(yè)。此外，在牙科應(yīng)用和珠寶制作中也很常見。

但是，激光粉末床熔融面臨著一系列挑戰(zhàn)。一方面，該過程涉及高度局部激光加熱，導(dǎo)致材料產(chǎn)生較大的熱梯度。在制造零件時，熱梯度會在材料層中產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力和變形。如果殘余變形過大，則可能導(dǎo)致機(jī)器的涂覆機(jī)組件堵塞，從而終止整個制造過程。如果機(jī)器堵塞并終止了構(gòu)建，則必須重新啟動該過程，這會浪費(fèi)資金和時間。另一個風(fēng)險是成品零件也可能產(chǎn)生變形，有時會超出最終用戶的可接受范圍。

火箭發(fā)動機(jī)部件的增材制造

工業(yè)技術(shù)研究院致力于研究激光粉末床熔融工藝，以平衡高精度產(chǎn)品成本和時間的限制。來自工業(yè)技術(shù)研究院激光和增材制造技術(shù)中心（AMMC）增材制造系統(tǒng)創(chuàng)新部的研究人員，包括工程師 Wai-Kwuen Choong 和 Tsung-Wen Tsai，以及經(jīng)理 Steven Lin，優(yōu)化了制造 TiSPACE 混合火箭發(fā)動機(jī) 3D 打印噴射器組件的激光粉末床熔融工藝（圖1）。該 3D 打印噴射器由 TiSPACE 設(shè)計，可提高固液發(fā)動機(jī)動力推進(jìn)劑的混合效率，并利用流體動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計。工業(yè)技術(shù)研究院使用增材制造設(shè)計技術(shù)進(jìn)一步改進(jìn)了設(shè)計，正如鐘偉權(quán)所說：“復(fù)雜的內(nèi)部流動通道和合并的部件功能使其成為激光粉末床熔融技術(shù)的絕佳展示 “。

圖 1. 3D 打印噴射器組件

制造噴射器時，必須考慮與激光粉末床熔融工藝相關(guān)的設(shè)計挑戰(zhàn)。在一部分尺寸（一般約為 110 mm x 110 mm x 170 mm）中，會不可避免地會累積熱應(yīng)力，并最終導(dǎo)致在噴射器z軸方向上產(chǎn)生較大的變形。這種變形會而且已經(jīng)導(dǎo)致涂覆機(jī)堵塞致使系統(tǒng)終止。工業(yè)技術(shù)研究院和 TiSPACE 通過優(yōu)化激光粉末床熔融工藝來避免變形，可以減少因終止構(gòu)建而浪費(fèi)的時間和成本。

力學(xué)仿真預(yù)測增材制造結(jié)果

通常，使用簡化的經(jīng)驗(yàn)法則和試錯法預(yù)測激光粉末床熔融加工的結(jié)果。例如，45° 規(guī)則就是增材制造領(lǐng)域中一種簡單且通用的規(guī)則。該規(guī)則要求設(shè)計應(yīng)避免包含大于 45° 的懸垂角，否則它不是 3D 打印的理想選擇。這是因?yàn)榕c底部的層相比，新打印的層將突出太多，并且新層沒有足夠的結(jié)構(gòu)支撐。該規(guī)則不能解決像 3D 打印噴射器那樣復(fù)雜的設(shè)計，而反復(fù)試驗(yàn)會很快消耗項(xiàng)目制造的時間和成本。因此，工業(yè)技術(shù)研究院選擇了一種替代方案——使用仿真預(yù)測制造零件的殘余應(yīng)力和變形（圖2）。為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，他們求助于 COMSOL Multiphysics? 軟件。

圖2. 3D 打印噴射器的激光粉末床熔融制造過程仿真

為了預(yù)測熱梯度如何在噴射器設(shè)計中引起應(yīng)力和變形，團(tuán)隊(duì)在初步模擬中采用了本征應(yīng)變的方法。最初建立該方法是為了快速預(yù)測焊接問題中的殘余應(yīng)力和變形，但現(xiàn)在也越來越多地用于解決金屬增材制造問題。

該團(tuán)隊(duì)使用 COMSOL? 軟件結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊中的固體力學(xué)接口進(jìn)行熱力學(xué)分析。這樣，他們可以評估制造零件中的殘余應(yīng)力和變形。COMSOL? 軟件中的活化功能專用于增材制造，可以完美模擬重復(fù)過程，包括激光粉末床熔融中層與層之間的疊加和融合。此外，他們還使用優(yōu)化模塊在構(gòu)建過程中優(yōu)化了零件的方向和支撐結(jié)構(gòu)。

使用仿真 App 優(yōu)化制造流程

借助多物理場仿真，工業(yè)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)成功預(yù)測了激光粉末床熔融過程中的應(yīng)力和變形結(jié)果，但是仍然存在一個問題：部署激光粉末床熔融過程的增材制造系統(tǒng)工程師通常并不熟悉仿真，聘請仿真專家只會增加項(xiàng)目時間和成本。這該怎么解決？

根據(jù)激光粉末床熔融模型，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個具有直觀用戶界面和專用輸入和輸出的仿真 App（圖3），并將其命名為 ITRI AMSim App。他們使用 COMSOL Multiphysics? 軟件內(nèi)置的模型構(gòu)建器根據(jù)已有的模型建立仿真 App。使用該仿真 App，系統(tǒng)工程師可以預(yù)測和評估優(yōu)化制造過程中的構(gòu)建特征，包括 STL 文件的輸入，彈性或彈塑性模型（非線性結(jié)構(gòu)材料模塊隨附）以及選擇啟用或禁用切割過程模擬或基板移除。該仿真 App 還包括 5 種不同的粉末材料供選擇，包括 Ti 6Al-4V，一種鈦合金；MP1，一種 CoCrMo 合金；PH1 和 316L，不銹鋼；AlSi10Mg，一種鋁合金。該仿真 App 的輸出是系統(tǒng)工程師在底板上所需的結(jié)果，例如構(gòu)建階段和切割后的位移和殘余應(yīng)力分布。

圖3. ITRI AMSim 仿真 App 界面。

該仿真 App 的輸入基于實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)，工業(yè)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)通過不同的掃描策略執(zhí)行該實(shí)驗(yàn)以提取正確的本征應(yīng)變矢量。該矢量或矢量分量會根據(jù)粉末材料和激光參數(shù)（例如激光功率、光束大小、掃描速度和圖案填充大小等）而變化。

團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用 COMSOL Compiler? 將該仿真 App 編譯為獨(dú)立的可執(zhí)行文件。編譯應(yīng)用程序分發(fā)給系統(tǒng)工程師，它可以在沒有安裝 COMSOL Multiphysics? 軟件或 COMSOL Server?? 許可證的環(huán)境下運(yùn)行。實(shí)際上，工業(yè)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)可以自行許可運(yùn)行該仿真 App，并在三個月的試用期內(nèi)將其提供給目標(biāo)用戶。

當(dāng)被問及在工業(yè)技術(shù)研究院和 TiSPACE 的聯(lián)合項(xiàng)目中使用仿真 App 帶來的好處時，Choong 對其節(jié)約時間和資金的優(yōu)勢表示認(rèn)同，并補(bǔ)充說，這完全是“成本問題”。

使用仿真 App 節(jié)約時間和成本

在構(gòu)建和部署 AMSim 仿真 App 之前，TiSPACE 的 3D 打印噴射器的構(gòu)建已開始并通過試錯法終止了四次。每當(dāng)涂覆機(jī)堵塞或零件本身破裂時，該過程都會失敗。引入 AMSim 仿真 App 之后，花費(fèi)在測試過程的總時間減少了 75％。使用該仿真 App，團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測組件的高風(fēng)險區(qū)域并為設(shè)計增加更多支撐，從而成功構(gòu)建組件。完成物理增材制造流程以測試零件構(gòu)建大約需要一周時間，而使用仿真 App 則需要不到一個小時。

通過計算，反復(fù)試驗(yàn)所需的人工、機(jī)器和材料成本，再運(yùn)行仿真 App 以后，得到進(jìn)一步降低（約 83.3％）。

最后，將仿真結(jié)果與實(shí)際制造過程進(jìn)行比較，完成 3D 打印噴射器增材過程所需的時間縮短高達(dá) 99％。

未來計劃

工業(yè)技術(shù)研究院團(tuán)隊(duì)計劃改進(jìn) AMSim 仿真 App，該技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三次迭代，具有用于材料校準(zhǔn)的新功能以及檢測涂覆機(jī)干擾、模擬支撐結(jié)構(gòu)等功能。他們希望為仿真 App 添加更多高級但對用戶友好的功能，以提高現(xiàn)有仿真 App 的時間和成本效益，并通過縮短學(xué)習(xí)曲線進(jìn)一步提高增材制造行業(yè)入門級用戶的投資回報率。

工業(yè)技術(shù)研究院的 AMSim 仿真 App 可以提供更加逼真的 3D 打印過程預(yù)覽和零故障生產(chǎn)。

經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自 COMSOL 用戶故事，作者 Brianne Christopher

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總結(jié)

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