高强度铝合金构件SLM工艺仿真要点分析*

李 笑，巫晓莉，张 明，王 哲，孙 明

1.北京卫星制造厂有限公司，北京 100190

2.中国空间技术研究院神舟学院，北京 100086

3.湖南科技学院土木与环境工程学院，湖南 永州 425199

1 研究背景

随着《中国制造2025》的提出，智能建造在建筑行业成为热点。铝合金作为一种轻质高强、耐腐蚀性能好、维护费用低、可塑性强、可循环利用、适用于增材制造的材料[1]，已经在大型客机和民用航天等高精尖制造领域得到应用，也为建筑中复杂异型构件的制造提供了新的解决方案。

增材制造又称“3D打印”，是一种新兴的制造成型技术。其原理是以数字模型技术为基础，利用高功率密度的移动热源，将粉末或丝状的原材料进行逐层堆积或定点修复，并制造出物品实体[2]。与传统的机械加工手段相比，增材制造过程无需模具、材料利用率高、可快速形成复杂几何结构，除了精密的机械金属构件，还可以将不规则的异型建筑构件，尤其是雕龙画凤的仿古建筑构件一次成型生产出来。激光选区熔化工艺（Selective Laser Melting,SLM）在获得高致密度和高精度构件方面具有突出的优势，成为研究的热点。

2 SLM概述

SLM工艺是在流动的惰性保护气体中依据构件截面的几何信息，通过高功率激光沿设定的扫描路径熔化预先铺好的金属粉末，层层堆叠直到构件加工完成。粉末吸收激光热量融化，同时液相黏度降低，使得金属液体有足够时间进行铺展，减少冶金缺陷，提高构件的综合性能。

因此，SLM被广泛应用于尖端领域复杂合金零件的制造，如萨瑞卫星公司研制的镂空式框架结构卫星，是成形精细复杂结构金属零件领域最具潜力的增材制造技术之一，但存在以下几个显著问题。

（1）制造易产生缺陷。SLM是一个涉及移动熔池、快速非平衡凝固、固态相变的复杂冶金过程，具有非线性、非稳态、长历程、热力及流固耦合的特征[3]，制造过程中产生的大量热应力致使构件发生失效、翘曲、开裂等问题。

（2）质量控制方法性价比低。SLM构件的质量控制方法是通过对加工过程进行数字图像的多片拍摄，将这些图像与设计模型的切片进行比较。但这种方法需要大量的“试错”，构件制造一次成功的概率非常低，极大地浪费了材料、时间以及劳动力。

（3）数值模拟方法实用性差。为了深入理解SLM过程，金属激光增材制造的数值模拟技术得到了快速发展。目前，数值模拟SLM过程的方法类似于模拟焊接过程，主要分为两类。一类是基于有限单元法或有限体积法求解SLM过程中的温度场、变形/热应力分布以及熔池内流场。采用这类方法模拟SLM过程时，网格尺寸必须小于粉末层厚度，模拟宏观尺度的SLM过程会造成极高的计算成本。另一类是基于固有应变方法的预测，即不考虑热循环过程，在结构中施加与固有应变相等的初始应变，通过纯弹性有限元分析求解整个结构的变形。这种算法需要在有限元分析、实验以及工程经验的基础上建立庞大的固有应变库。因为对几何模型离散采用层切的方式，且每一层为六面体单元，所以当几何模型为薄壁、细杆或复杂曲面等结构时，离散后的模型与原始模型会产生严重的偏差。

鉴于以上问题，考虑SLM是一个跨空间与时间尺度的过程，为了精确、有效地实现真实构件（宏观尺度）的SLM制造过程仿真，必须选择一种合适的计算方法。

3 国内外研究现状

李昊等[4]采用ANSYS建立了金属粉末SLM有限元分析模型，研究了扫描策略和粉末组分对温度场和应力场的影响。李雅莉[5]采用ANSYS建立了铝合金在SLM过程中热-应力顺序耦合有限元模型，研究了激光功率与扫描速度对残余应力分布规律的影响。戴东华等[6]研究了不同工艺参数条件下熔池表面的温度场及熔池中W颗粒周围熔体流场和受力情况。余冠群[7]针对AlSi10Mg粉末SLM过程，建立了介观尺度下的颗粒熔化/凝固有限体积模型。Körner等[8]建立了基于LBM法的自由表面流体流动数值模型。

已有的仿真计算为研究SLM过程在微-介观尺度下的基本物理表现提供了很多的帮助。然而，模拟真实构件的SLM制造过程依然面临很多挑战，主要如下：

（1）为实现真实的制造过程模拟，一些商业软件公司开发了基于固有应变的SLM仿真技术，但不同结构不同位置的固有应变仅可能近似获得，而且在建模时，与形状相关的几何信息被严重地简化。目前尚没有基于有限单元法跨尺度的预测真实构件的SLM过程的研究结果。

（2）在熔池周围的区域会快速产生高温度梯度，导致材料在最终的热处理之前表现为各向异性的性能。目前的研究忽略了材料的各向异性所导致的构件的性能差异。

（3）利用SLM生产复杂几何的产品时，往往需要在产品的几何构型以外添加支撑结构，以减小产品在制造过程中产生的热应力及变形。支撑结构的设计是否合理直接影响最终的产品性能，但还没有针对支撑结构的SLM过程仿真的研究。

综上所述，目前的SLM过程数值模拟技术多局限于微-介观尺度或简单几何的零件，要想建立适用于真实构件的SLM制造过程的仿真技术，还需要进一步研究更为合理的数值计算方法及模型。

4 SLM仿真要点

4.1 使用路径网格交叉法计算

路径网格交叉法（Toolpath-Mesh Intersection）于2017年提出，其基本原理是激光扫描路径可以“穿过”有限元网格，基于当前粉末层的高度计算任意时刻被“穿过”单元的部分单元体积。仿真开始前，实际的打印信息（包括激光功率、扫描路径/速率等）被重新编译为基于有限元网格的时间序列。计算开始后，每一个增量步基于时间序列计算在当前增量步的扫描时间内的SLM过程。

基于这种算法，可以利用自由网格离散复杂几何的构件，同时不受层切的约束，从而使有限元模型更为精确地逼近原始几何模型。在计算中，可以精确追踪真实的扫描路径和铺粉过程，单元的部分体积积分使“粉-液-固”的计算过程不再局限于划分网格的激活。这种算法为基于有限元方法跨尺度的SLM过程计算提供了可能，计算中网格的数量可以兼顾考虑计算精度和成本，且不用简化真实制造过程中数万层的切片。

4.2 支撑结构均匀化等效

为了更真实地模拟实际构件的制造过程，考虑在数值模型中将支撑结构进行等效处理。通过特殊的单拉试件厘清支撑结构几何参数与强度之间的关系，通过RVE模型推导出与温度相关的支撑结构等效导热系数。

4.3 实验验证

在SLM制造过程中，材料表现为各向异性的性能，考虑采用与温度相关的Hill模型模拟SLM过程。通过不同打印方向试件的拉伸/剪切实验，确定模型参数。在不同应力状态下对比仿真与实验的结果，验证材料模型。

选取合适的网格尺寸对真实构件进行离散，进行SLM过程仿真。对比预测结果与测量结果，进一步优化仿真模型。基于不同方向的构件SLM过程仿真，给出构件最优化的SLM制造方案。

5 结束语

文章基于路径网格交叉法，实现了有限元模型的整体优化，完成了SLM过程模拟的跨尺度计算，并直观地求解增材制造过程中所涉及的温度、热应力、变形等问题，揭示了产品的几何特征、工艺参数、制造过程的匹配与结构变形的相关性，为解决增材制造全尺寸产品的应力分析、变形控制提供了重要的理论支持和工艺指导。