近年來，隨著增材制造工藝的快速發展，仿真模擬的重要性日益凸顯，越來越多的科研及應用單位選擇在實際打印之前，通過仿真預測打印問題，從而優化打印工藝、減少物理試錯次數、降低打印成本。就不同增材工藝仿真的占比而言，目前國內外金屬粉床熔融的增材制造工藝仿真已達到主流地位。增材制造工藝仿真分析解決方案Simufact Additive，憑借出色的仿真能力、精確的仿真結果，受到越來越多客戶的支持與信賴。本文將為大家介紹用于粉床熔融工藝的缺陷分析方案Simufact Additive PBF process and defect analysis（以下簡稱Simufact Additive PDA）——一種應用于全尺寸幾何中特定位置缺陷預測的增材制造過程模擬方法。

粉床熔融工藝的缺陷分析方案Simufact Additive PDA

Simufact Additive PDA模塊針對Simufact Additive鋪粉增材制造工藝仿真制造工藝缺陷（變形、開裂、收縮線、卡刮刀等）的補充。該缺陷分析模塊的應用主要在金屬粉床熔融工藝模擬之前，主要用于分析鋪粉增材工藝參數對匙孔孔隙度、未熔合、球化、表面粗糙度等缺陷，以確定該零件在無缺陷狀態下完成打印。

圖1：主要L-PBF AM缺陷示意圖。（圖片來源：RTX）

為準確預測此類增材制造缺陷，Simufact Additive研發團隊深入研究了增材制造工藝中的相關機制，對加熱、熔化、流體流動、蒸汽形成和固化的機制進行了詳細的研究。對這些關鍵機制中的每一個的物理特性都用一系列分析表達式進行描述。基于分析模型的方法實現了鋪粉增材制造缺陷（匙孔孔隙度、未熔化、球化和表面粗糙度）形成的快速計算和預測。如圖1所示。

該模擬方法考慮激光掃略處的局部溫度升高，以及通過傳熱到基板、先前沉積層或松散粉末的熱損失，從而對零件打印過程中的溫度分布有精準的把控，而零件打印中的局部溫度分布是預測打印質量和打印缺陷是否存在的關鍵參數。因此，在軟件操作層面上，與傳統Simufact Additive PBF模塊不同的是需要添加更多的打印參數，如：光斑波動百分比、功率波動百分比、打印體積內部及上下表層上的一系列參數等。

圖2：雙參數圖

基于激光功率、掃描速度和其他幾個工藝參數，如光斑大小、層厚度、圖案填充距離等，解析計算出單條帶圖以及單軌跡圖。這兩幅圖顯示了缺陷類型的預測與激光功率和激光掃描速度的關系，可參考圖2所示。同時在最新版本當中，為進一步精確評估缺陷存在與否，充分考慮涂層、激光功率、光斑尺寸大小等參數波動可能會帶來的結果不確定性。在該雙參數關系圖中添加陰影部分，以支持更加清晰的看到這些波動對不同缺陷的影響，如圖3所示。

圖3：參數波動性在雙參數圖中呈現陰影部分

該軟件分析模塊能夠在幾分鐘內實現整體結構件溫度歷程和逐個粉末層缺陷的預測，并支持2D和3D結果的自由切換。圖4展示了對支架零件進行缺陷分析得到的缺陷結果圖及表面粗糙度結果圖。

圖4：2D缺陷圖（圖左）及3D表面粗糙度圖（圖右）

圖5顯示了通過使用Simufact Additive PDA預測復雜翼型結構缺陷的示例，其中包括三維體積缺陷和表面粗糙度預測。通過軟件分析，可以在整個打印過程中快速評估和優化打印參數，從而直接生成無缺陷的零部件。

圖5：通過Simufact Additive PDA對復雜3D組件進行缺陷預測應用示例（圖片來源：RTX）

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【文章來自海克斯康工業軟件】