增材制造过程工艺模拟立项报告.docx
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增材制造过程工艺模拟立项报告
关键技术：
1.增材制造过程工艺模拟
激光增材制造技术（俗称激光3D打印）是融合了激光、计算机软件、材料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性技术。
采用离散化手段逐点或逐层“堆积”成型原理，根据零件的CAD模型进行切片分层处理，采用数控系统控制工作台按照分层软件设定的路径进行扫描，通过激光熔化金属粉末层层叠加获得近净成形零件，增材制造技术彻底改变了传统金属零件，特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式。
增材制造是结合计算机辅助设计来生产制造三维物体的过程。
在增材制造过程中，物体的创建是通过连续铺设材料层直至创建出整个物体来实现的。
图1说明了典型的增材制造工作流程。
第1步到第7步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程。
图1：
标准增材制造工作流程
从历史上看，传统或常规的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的基础原材料转变为成品。
这些技术采用沿用已久的设计/加工方法、工具、设备（例如铸造车间、车床、CNC等）、生产活动及步骤。
增材制造（AM）是常规制造方法的伟大变革。
增材制造以3D打印而广为人知，是一种现代制造技术。
图2--图4展示了这两种类型的制造工艺。
图2.传统制造图3.增材制造（激光送粉）图4.增材制造（激光铺粉）
澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造技术主管SweeMak博士在2014年6月4日的Hunter研究基金会会议上展示了图5。
他总结道：
“与对一整块成品材料进行加工以制造出产品的传统消减制造方法相比，增材制造方法不仅速度快、能耗低，而且减少了废料。
”
图5增材与消减制造对比
全球增材制造市场包括3D打印机、材料及服务提供商。
到2020年，整个市场（不包括材料）的价值有望达到114亿美元；2016至2020年间，预计年增长率为21.0%。
图6（a）和图6（b）列出了全球增材制造市场近年的发展及主要行业的市场占有率。
图6（a）：
全球主要增材制造市场图6（b）：
采用增材制造技术的行业
二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类别工艺（即“增材制造”）的需求。
2016年3月3日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的SHIPTECH2016会议中，ConcurrentTechnologies公司的KennethSabo介绍了增材制造工艺的优势与挑战。
表1给出了增材制造工艺的优势/挑战概览。
优势
挑战
1.制造复杂部件
1.材料研发，数据积累滞后
2.产品多样化，不增加成本
2.功率源开发滞后；
3.生产周期短
3.质量的一致性，打印机的稳定性
4.零技能制造
4.最终形状的变形控制
5.不占空间，便携制造
5.凝固组织，内部缺陷质量控制
6.节省材料
6.晶粒尺寸，晶粒形态和取向的控制
表1：
增材制造工艺的优势/挑战
1）关键技术的难点
过去25年间，增材制造技术突飞猛进。
但是，与材料、设备、机器/工艺变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件的主要考虑因素。
图7增材制造从设计到生产阶段的各种挑战
从设计到生产阶段的各种挑战来自材料特性、工艺条件的不确定性以及打印机/工艺/材料特性的相关性等多个方面：
•材料特性：
当前，3D打印生产厂家还未拥有完整的材料属性数据库。
行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案，除非可以记录并保存可用材料的材料属性数据，并进一步研究、记录选定部件的“增材制造”材料能力（例如与构建方位、拉伸强度、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等有关的材料属性）提供给所有厂家。
如果不能得到3D打印部件的材料属性，工程师和设计人员就无法将增材制造视为可行的制造方法。
•工艺条件的不确定性：
现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性。
有时粉末会出现高达85%的废品率。
需要开发出创新的方法，以改进和加强早期的检验。
良好的工艺控制可缩短机器停工时间，这也是当前许多机器和工艺设计人员遇到的主要问题。
•打印机/工艺/材料特性的相关性：
值得注意的是机器间以及部件间的可重复性。
需要对部件布局（部件放置以及构建角度均取决于打印机的能力）进行精调。
需要通过进行一系列的“假设”研究和统计分析来估算与构建方向、速度等以及与材料强度的相关性，以便了解深层次的变化。
大多数大中型欧、美国生产厂家都要日复一日地处理上述难题。
他们所表达的一些关注点如下：
1.增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？
2.采用增材制造技术是否是明智之举？
3.我应当对物流/供应商提出哪些建议？
4.什么是关键变量灵敏度矩阵？
5.表面加工为何会过于粗糙或过于精细？
6.粉末废品率为何会如此之高？
这些关键性的技术和众多挑战将是未来增材制造企业和相关研究机构需要重点解决和面临的。
2）国内外进展和水平
2.1）增材制造技术现状
增材制造在航空航天行业受到了广泛的关注。
各大企业对增材制造技术的研究和推广都做出了重点布局。
空客建立了增材创新中心，并与高校、设备制造商进行密切的联合研究。
2012年空客在A380客舱里使用3D打印的行李架，这也是空客商务机首次使用3D打印的部件。
空客公司生产的军用“台风”战斗机，使用了3D打印的空调系统。
空客还提出2016年是钛合金3D打印年，并预计到2018年每月将有30-35吨的增材制造零件被装在飞机上。
波音公司开发出一种悬浮式3D打印技术，在没有任何实体打印平台的情况下，实现360度无死角操作，并于近日成功获批专利。
波音公司已经利用3D打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的导管等。
预计到2018年波音的飞机会采用超出20000个3D打印零件。
GE专门成立了增材制造实验室，成功收购了生产商MORRIS公司，于2014完成传感器外壳设计、制造，2015年2月获得FFA认证，第二周投入使用。
GE进一步推出了3D打印的燃油喷嘴（图8），并于2015实现批生产，2015生产了1000件，2020年预计可达年产40000件。
俄托木斯克理工大学2016年3月31日发射世界首颗外壳全由3D打印制造的立方体纳卫星。
该卫星搭乘“进步MC-2”号货运飞船前往国际空间站，之后再由国际空间站宇航员在例行出舱活动期间发射到预定轨道。
该大学科学家认为，采用3D打印技术制造外壳将使这类卫星变得更为廉价和普及，进一步降低卫星开发的门槛。
美国Aeromet公司利用激光3D打印技术制造出多个大型钛合金关键承力件，其中整体筋板加强钛合金发动机框的尺寸达到2.5m，重达130Kg，机翼拼接接头等已经在F22及F18E/F上得到批量使用。
图8GELeap发动机燃料喷嘴图9西北工大制造的飞机主承力梁（长5米）`
国内近年来增材制造的开发和研究也有了长足的进步。
以北航的王华明教授，西北工大的黄卫东教授，华中科大的史玉升教授等为代表的大学，研究院在增材制造工艺和产品开发上取得了可喜的成果。
北航的王华明教授于1995开始金属激光增材制造的研究，为国产C919，J15等提供航空结构件，其中包括航空发动机整体叶盘。
2012年，凭借“大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及装备”获得国家技术发明奖一等奖。
华中科大利用增材制造技术生产六缸发动机盖，7天内可以整体成型四气门六缸发动机缸盖砂芯。
而采用传统的砂型铸造试制方法需要5个月。
华中科大还为空客和欧洲航天局制作飞机，卫星，航空发动机用大型复杂钛合金部件的铸造蜡模。
其设备成型空间为1.2米x1.2米，达到激光烧结快速制造领域世界领先水平。
正如王华明教授所说，3D打印不是泡沫也非“神器”。
增材制造作为成熟的工艺方法要走的路还很长。
增材制造除了不具备规模经济优势以外，材料/功能源的开发滞后，各种金属材料最佳烧结参数的积累，凝固组织，内部缺陷质量控制，及其无损检验关键技术，晶粒尺寸/晶粒形态趋向的控制，后续热处理工艺，变形控制等都是影响增材制造发展和完善的瓶颈。
2.2）增材制造技术发展趋势
增材制造的技术在设备的成本，效率，功能方面发展迅猛，正从塑料快速原形向金属零件；单一材料向多种材料和嵌入结构；单一增材制造向和切削加工的集成，应用范围较窄向突破规模/成本/材质限制的方向提升和进化。
而在航空航天中的发展趋势体现在非金属部件向金属，复合材料；功能结构件向次承力，主承力结构；结构件替换向结构的重新优化设计；单一性能材料向功能梯度材料；零件级制造向部件级制造，机器人智能制造等爆炸式发展，这对航天航空工业可能产生颠覆性的影响。
装饰件
功能件
次承力件
主承力件
材料
塑料
鋁/钛
钛/钢/新材料
钛/钢/新材料
设计
替换设计
替换/优化
优化
优化
制造
快速/成本高
快速/成本高
难度大
难度大
适航审定
无
无/简单说明
强制
强制
成熟度
9
6
5
3
图10从塑料装饰件向结构主承力件发展图11.增材制造的产品对比
金属增材制造对于少批量产品具有减少模具成本，降低全寿命成本的优势，性能上与锻件相当或高于锻件，用来替换现有钛合金锻件，已经在航天、军机部门得到应用，但在民机领域尚无应用。
还需在抛光，喷丸，等静压等后处理方法上突破，以提高增材制造产品的致密度和均匀性进而提高产品的疲劳寿命。
企业的增材制造的核心能力建设，将注重优化设计能力，工艺研究能力，质量控制与适航审定能力（详见表2）。
优化设计
工艺研究
质量控制/适航审定
许用值确定：
建立流程，积累数据，建立生命周期各阶段的数据库以及建立数据的相关性和可追溯性。
制备技术：
制定工艺参数，制备稳定/可靠的零部件
粉末质量保障，设备稳定性保障
拓扑优化：
仿生学设计，培养工程师拓扑优化能力
热处理技术：
消除产品的残余应力，改进微观结构
零件性能保障，批生产过程与方式的质量与适航符合性
功能梯度材料结构设计：
根据飞机不同部位的需求，设计功能材料结构。
支撑材料移除：
合理设计支撑部件和打印策略，控制产品变形
高精度尺寸控制
一体化设计：
减少零件量，降低装配成本
机加工和表面处理：
精加工，喷丸，抛光，提高疲劳性能
无损检测
表2.企业的增材制造能力建设
2.3）增材制造的CAE仿真技术的现状
与其他行业工艺的研究、设计、开发一样，在提高增材制造产品的质量一致性，追求“一次成功”来降低废品率，保证性能的可靠性上真正超过常规工艺方法等问题上，需要建立一整套生产标准，质量检测，安全论证的规范，以及快速提高企业的核心技术能力。
而基于CAE技术的增材制造过程的仿真，以及增材制造的生命周期中各个阶段的数据信息化管理将是解决上述问题的不可缺少的辅助手段和强有力工具。
增材制造是一种快速原形制造技术。
根据零件形状，每次制作一个具有一定微小厚度（µm）和特定形状的截面，然后通过激光把粉末熔化，再通过冷却它们逐层粘结起来，得到所需制造的立体零件。
目前通用的CAE软件不能满足增材制造过程仿真分析的特殊性和技术开发需求。
增材制造的整个制造过程（粉末的熔化和凝固以及堆积）需要考虑金属金相变化的热机耦合时域仿真。
使用通用CAE软件需要花数百个小时，甚至几周才能得到仿真结果，远远跟不上增材制造的设计开发进程，这将大大削弱增材制造本身的“快速原形制造”的优势。
同时，增材制造产品的有限元网格需要严格地与CAD的逐层切片保持一致，这就给利用目前通用的网格划分工具进行建模带来了极大困难。
需要指出的是,虽然增材制造被认为是一种巧夺天工的技术，几乎可以造出任何形状的物品，这给各CAE供应商开发的拓扑优化软件带来了很大的用武之地。
但是,由于后续切削，抛光，喷丸等工艺的限制，增材制造的形状并不能真正做到想像的“为所欲为”。
另外，成型过程只是增材制造的第一步，还需后续工艺，比如等静压，切削，热处理，表面处理来完善产品。
目前急需能够覆盖整个工艺流程（图12），能够简洁建模/快速计算的增材制造专用CAE仿真软件问世，以促进增材制造工艺体系的建立以及加速企业有关核心能力的提高。
图12增材制造专用CAE仿真软件覆盖的工艺流程
3）本研究的创新点
为建立、建设企业在增材制造领域的设计、制造、研发能力，进一步提高企业的市场竞争力，与国内外同行业中的领先企业接轨，企业有必要开展与增材制造工艺设计相关的研发能力建设。
由于增材制造过程涉及很多复杂的工艺参数和设备等的条件，国内外增材制造企业和相关研究机构主要基于实物物理试验的手段进行产品的工艺设计和校验，成本投入较大、研发周期较长。
如果能够引进先进的、专门的CAE分析工具进行增材制造过程的虚拟再现，在设计初期及时发现工艺设计相关的问题进行改正，从而减少废料和废品率；通过虚拟环境进行各种工艺参数的优化设计、工艺方案的分析和对比，制造出高质量、满足使用和性能要求的3D打印产品，将对企业大幅降低研发成本和提高研发效率非常有益。
因此，本研究对目前市场上已有的CAE分析工具进行综合全面的调研和试用，结合增材制造过程的各个环节，从产品设计拓扑优化增材制造过程虚拟仿真热静等压处理切削表面处理等选择适用的CAE分析工具辅助进行工艺的优化设计和工艺参数的优选，推动后续研发和制造工作的顺利开展。
作为易学、易用且满足工程精度的增材制造专用仿真分析软件，仿真技术需要突破以下几种技术和满足以下几种要求。
1.由于目前的网格划分技术不适合准确描述增材制造所特有的切片模型和层层叠加的加工方法，需要推出一种对CAD进行自动切片,并具备对计算模型进行规则的，“无失败”网格（像素单元）的自动生成功能；
2.能够自动读入打印机的工艺参数（打印方向，打印路径，热源量）以减轻仿真条件设置的负荷；
3.能够进行多尺度计算。
对局部采用精密的微观（Microscopic）计算以准确地算出焊点周围的温度变化和应变；利用等效温度变化或等效应变对产品进行宏观（Macroscopic）计算以求计算效率的提高，使用多核并行计算的时间控制在1-2小时之内（图15）；
4.增材制造过程的仿真计算结果与其它后续工艺过程仿真能够有机结合和传递，保证热处理，静等压，切削，表面处理能够一气呵成地完成工艺链的仿真模拟；
5.增材制造的仿真系统能够与增材制造的材料生命周期管理系统无缝连接，使其在许用值确定，粉末质量保障，制备稳定性保障，零件性能保障，批生产过程与方式的质量与适航符合性保障发挥更大的作用。
4）拟采取的技术方法和途径
经过前期对增材制造过程进行仿真分析的工具的调研发现，目前MSC公司最新研发的专门用于模拟金属材料增材制造过程的仿真分析软件Simufact.AM，完全能够满足企业目前的要求，Simufact.AM可以模拟基于铺粉方式的金属结构的增材制造过程。
通过Simufact.AM不仅可以虚拟再现增材制造过程，预测增材制造过程中以及结束后结构的变形和最终形状、残余应力。
并可以对微观结构进行金相组织转变、晶粒尺寸的计算，同时可以进行支持/支撑结构（位置、强度/刚度）的辅助优化设计，帮助预测是否存在不充分的支持以及结构发生裂缝的可能性。
图13Simufact.AM进行增材制造仿真分析的案例
Simufact.AM提供了专门的前后处理工具用于进行增材制造仿真分析模型的建模和结果后处理，设计人员可以在友好的界面下方便、快速的进行仿真模型的建模和结果的提取。
基于Simufact.AM的像素网格技术设计人员可以快速的进行任何复杂结构的网格划分；它的求解器功能强健，设计人员可以从不同的层面根据计算速度要求和模型复杂程度选择计算尺度。
在设计初期，设计人员可以从宏观层面基于层积模型（固有应变）进行快速的建模和求解，从而进行工艺参数和打印策略合理性等的定性分析。
在设计的中后期，设计人员还可以从微观层面出发进行完整的、高精度的瞬态热机耦合分析模型的建模和计算，获得更为准确的对最终形状、残余应力等的预测结果。
计算:
Max2.00mm
试验:
Max2.28mm
计算时间：
10Min（8cores）
图14.利用像素网格快速建模图15.高效率的宏观计算结果
通过Simufact.AM设计人员不仅可以在工艺设计阶段虚拟再现整个增材制造过程，预测结构的变形和最终形状、残余应力的分布，帮助检验当前所采用的材料、打印策略是否满足设计和使用要求；Simufact.AM还能够根据产品结构自动计算和建议并建立支撑/支持结构，能够在进行物理试制之前及时地发现由于不合适的打印策略和工艺参数设置可能带来的产品的加工缺陷等。
为企业节约材料、场地等的成本投入和用于物理试制等的时间和人力成本的投入。
图16采用不同的支撑/支持设计对应的仿真结果对比—变形
与此同时，MSC公司另一个在金属加工成型仿真分析领域的主要产品Simufact.welding可以模拟基于送粉、送丝方式的金属材料激光3D打印过程。
Simufact.welding可以虚拟再现金属材料的激光3D打印过程，预测3D打印过程中以及打印结束后的结构的变形和最终形状、结构的残余应力，并可以对微观结构进行金相组织转变、晶粒尺寸的计算，同时可以进行支持/支撑结构（位置、强度/刚度）的辅助设计。
图17Simufact.welding3D打印仿真分析案例
通过Simufact.welding设计人员不仅可以在工艺设计阶段虚拟再现整个3D打印过程，预测结构的变形/最终形状、残余应力的分布等，帮助检验当前所采用的材料、打印策略、支撑/支持的设计是否满足设计要求，还能够在进行物理试制之前及时地发现由于不合适的打印策略可能带来的产品的加工缺陷等。
为企业节约材料、场地等的成本投入和用于物理试制等的时间和人力成本的投入。
增材制造技术面临着从设计到生产阶段的众多挑战。
部件厂家和领先的增材制造研究人员已将以下因素确定为造成增材制造产品设计及售后性能不佳的一些关键指标。
1.缺乏对增材制造过程的材料生命周期的管理；
2.对影响材料性质的制造可变性所进行的研究不准确；
3.打印机、工艺控制参数变化范围大，影响了增材制造部件的质量。
MSC公司的材料中心（MaterialCenter）是下一代的材料生命周期管理系统，已针对材料数据、工艺管理过程进行了优化，解决了增材制造生命周期阶段的“试验过度”及“试验不足”问题。
这一现成的商业解决方案已应用了20多年（以前称为mVISION），它集方法原理、扎实的技术和先进的统计工具于一身，改善了增材制造部件和总成的最终质量。
材料生命周期管理（MLM）是产品生命周期管理（PLM）的子集，在项目与信息项属性之间以及“试验之前”、实际试验周期及“试验之后”信息项本身之间提供了关联。
因此它直接解决了复杂环境中的数据可追溯性问题。
这是由于系统为每个流程步骤保存了信息创建流程谱系。
数据被存储为人和计算机均可解读的信息结构，由此可判定每个信息项的确切背景。
图18举例说明了材料生命周期管理的各个生命周期阶段。
图18.材料生命周期管理
传统的材料生命周期管理系统无法解决增材制造工艺带来的难题。
下一代材料生命周期管理系统专门针对这种情况进行架构的开发和实施，可解决增材制造过程中从设计到生产阶段的各种问题。
高级的材料生命周期管理系统还能将增材制造整合到实物和虚拟试验以及CAE、PLM/PDM中。
以下列举了其众多功能中的一部分。
1.完整增材制造工作流程与审批手续整合；
2.各个生命周期阶段期间的材料可追溯性；
3.实物/虚拟制造及试验的增材制造机器的数据/过程管理；
4.支持第三方软件及数据库开放接口的过程引擎；
5.支持PDM/CAD/CAE/EAM/MES独立系统；
6.源于/用于CAD和CAE解算器的导入/导出；
7.公司实体范围内/外的安全及可控的数据交换。
图19源自在宾夕法尼亚州立大学和美国陆军所进行的多年研究建立的一种企业级可扩展的下一代材料生命周期管理系统。
基于网络的直观界面使工程部门能够对材料或部件/打印机/流程/增材制造行为进行虚拟化。
其集成框架可为指定部门向其他利益相关方提供精确的信息传输。
其中包括金属/非金属/塑料的增材制造流程。
可将该系统当作制造属性/机器以及流程鉴定参数的资料库。
图19.增材制造的材料生命周期管理系统
它的内制模板可构建或导入材料/打印机/工艺/试验数据。
该系统利用Excel集成来映射并导入用于增材制造及各种试验方法的定制模板。
例如：
1.增材制造电子束沉积；
2.增材制造定向激光束沉积；
3.增材制造粉末层融合（图20）；
4.增材制造熔融沉积造型；
5.各种拉伸试验（断裂韧度K1C）；
6.各种硬度试验（夏氏冲击）。
图20.粉末层熔融模板示例
它能自动采集结果用于对比、置信度评估及认证——这些结果在材料生命周期管理系统中有完整的可追溯性，将增材制造带入了新的高度。
提供了全面的工作流程工具，能够采集从概念到最终构建阶段的每一步制造流程中的信息。
通过内置的统计工具建立起材料生命周期各个阶段的数据之间的相关关系和可追溯性,如图21（a）和图21（b）所示。
大大提高企业的核心能力,积累大量的各个环节的经验和数据,健全企业的增材制造管理体系,从而保障产品质量的稳定性,工艺参数的一致性。
图21（a）生命周期不同阶段的数据相关性图21（b）技术规格与实测固化曲线的对比
5）预期目标
在过去25年间，增材制造已从快速样机处理成长为能够制造次承力部件，主承力部件的先进技术。
为全球越来越多的企业、政府机构所重视。
但这种制造技术始终面临着各种难题和挑战。
先进的CAE仿真技术以及材料生命周期的虚拟管理系统，能够帮助企业提高增材制造的核心能力，制定流程，积累数据，建立生命周期各阶段的数据库以及建立数据的相关性和可追溯性。
从而能够针对产品要求，制定工艺参数，确保制备的稳定性以及零部件的质量可靠性，减少零件量，降低装配成本，降低废品率，提高适航符合性。
本研究拟达成的最终目标是：
1.模拟增材制造过程，算出制造结束后的最终变形及残余应力，为支撑结构设计，打印策略（速度，方向以及各种工艺参数），降低废品率，做到“一次成功”提供有效指导（图22）；
2.通过对成型及后续工艺的仿真，观察材料的微观结构（金相,晶粒尺寸），预测材料的机械特性（屈服应力&极限强度）；
3.并通过材料密度/均质性判断材料表面特性、粗糙度从而预测产品的裂纹的发生和扩展以及产品的疲劳寿命；
图22（a）由于支撑不足产品出现很大的变形（>3mm）图22（b）合理的支撑设计控制变形（<1mm）
4.与增材制造的材料生命周期管理系统无缝连接，使其在许用值确定，粉末质量保障，制备稳定性保障，零件性能保障，批生产过程与方式的质量与适航符合性保障发挥更大的作用。
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