為了解決質量的一致性與穩定性，面向增材制造3D打印的工藝模擬軟件近年得到了越來越多的應用，利用模擬仿真軟件可以對打印過程進行有針對性的調整、優化，減少試錯，降低成本，提升3D打印成功率和打印質量。

 

針對增材制造工藝仿真中工藝掃描模擬的要求，安世亞太和中科煜宸聯合開發了可 考慮掃描路徑的工藝仿真軟件AMProSim-DED 。 本文，小編將帶大家理解工藝掃描路徑對增材制造仿真精度的重要性，分享AMProSim-DED的優勢和特點，以及實際應用案例。

掃描路徑模擬為什么重要？ 

為了研究模擬掃描路徑對增材制造工藝仿真的重要性，對一圓環件分別進行逐層堆積與逐圈堆積的增材制造工藝仿真，對比其打印過程中的溫度、變形及應力的分布。

圖1.變形分布

打印結束后，逐層堆積與逐圈堆積兩種方案的工藝仿真，其最大變形相差約37%，最大應力相差17.5%，且逐圈堆積的變形及應力更小，而這與增材制造工藝分區掃描可以降低變形和應力的經驗趨勢是一致的，說明考慮工藝路徑可以獲得更好的工藝仿真精度。

圖2.應力分布

由此可見，在增材制造工藝仿真中，掃描路徑很關鍵，精細的路徑模擬可以極大提高仿真精度。而市場上的工藝仿真軟件無論采用固有應變算法，還是熱力耦合算法，大多數不考慮工藝掃描策略，而是逐層堆積，即使考慮工藝掃描策略，也過于簡單，或只能分區，或不能與工藝規劃數據提供接口， 無法真實模擬掃描路徑的影響。因此，需要進行考慮掃描策略的增材制造工藝仿真。

考慮掃描策略的增材制造工藝仿真

為了進行考慮掃描策略的增材制造工藝仿真，首先需要研究掃描策略的路徑及其數據格式。各個打印廠商采用不同的路徑規劃軟件，路徑規劃軟件形成的路徑文件格式各不相同，基本含有以下信息：切片厚度、熱源功率及其狀態、掃描速度、間距、路徑類型及其路徑點坐標、停留時間等信息，以便于用于打印機識別。

但路徑規劃軟件輸出的掃描路徑信息并不利于工藝仿真直接使用，因此需要進行數據轉換，需將原有數據格式轉換為仿真可以讀取的路徑數據表，將描述掃描路徑熱源功率及其狀態、掃描速度、路徑坐標點及其停留時間。

圖3.路徑規劃轉換前后：蛇形掃描示例

最后，基于轉化后的掃描路徑，采用單元生死技術依次激活成型材料來模擬增材制造過程隨時間變化的熱傳遞過程；并在瞬態熱分析的基礎上，通過熱應力耦合分析來進行變形以及應力的分析。

為了面向工程應用及普遍適用性，安世亞太與中科煜宸聯合開發的考慮掃描路徑的專業增材制造工藝仿真軟件AMProSim-DED。 AMProSim-DED可以考慮溫度相關的材料非線性屬性，基于工藝文件的運動路徑信息，模擬增材制造工藝的材料堆積過程，可以詳細模擬零件分區、打印路徑以及熔融冷卻的相變過程對增材制造過程的影響 ，預測增材制造過程中的溫度、應力和變形，優化工藝參數，從而保證3D打印質量和打印效率，避免低效的試錯過程。

AMProSim-DED的功能

增材工藝仿真分析系統 AMProSim-DED 提供增材工藝、熱處理工藝仿真的相關分析功能：

1)  可模擬增材制造工藝、熱處理工藝過程，獲得其溫度、變形以及應力的分布；

2)  掃描路徑模擬：可以將打印程序的控制指令信息轉換為仿真可以讀取的路徑數據表，數據表描述掃描路徑的坐標位置、掃描速度、激光狀態以及停留時間等信息，以用于模擬材料的堆積過程；

3)  內置 10 種材料，如 17-4PH、316L、304 、In627 、In718 、TC4 、TC11 、TA15 、AlSi10Mg、 AlSi7Mg 等，并支持自定義；

4)  瞬態熱分析：根據掃描路徑的材料堆積過程，模擬在熱源作用下材料的熔凝過程，來計算制件在增材制造過程中隨時間變化的熱傳遞行為；

5)  應力分析：通過熱應力耦合分析來進行增材制造過程的變形以及應力分析。 

圖4.AMProSim-DED 加工參數設置 

應用案例：圓環件增材制造工藝仿真分析

基于上文掃描路徑的轉化，對一圓環件進行不同掃描策略的研究：

• 模型：內徑30mm，壁厚3mm，軸向高度15mm

• 材料：316L

• 工藝：激光功率1200W；掃描速度10mm/s；層厚0.3mm

掃描策略：

• 掃描策略1：環向掃描

• 掃描策略2：單向掃描

• 掃描策略3：單向掃描（首層57°，層間旋轉67°）

圖5.掃描策略

                          

l 溫度場分析

基于三種不同的掃描策略，對圓筒件進行單道的增材制造工藝仿真的溫度分析，下圖為打印結束后的溫度分布，環形掃描的打印時間低于單向掃描。

 

圖6.打印結束后的溫度分布

通過不同掃描策略對比結果，發現環形掃描優于單向掃描策略。因此對一內徑50mm、壁厚3mm軸向高度60mm的環形件采用環向掃描策略進行增材制造工藝的制造與仿真，提取相關數據：

• 實測數據：熔池溫度從第一層1300攝氏度開始逐漸增大，增長速度大約為10度/層（簡化為線性），約25層后，保持1550度不變。

  
  

• 仿真數據：筒壁中心的溫度從1290℃開始逐漸增大，前20層的最高溫度增長速度較快；之后增長較為緩慢，最終趨于穩定，約為1576℃。

經對比發現對于仿真與實測的打印過程中的最高溫度及其演變趨勢相接近，誤差較小（可控制在5%），精度可以達到要求。

    

圖7.增材制造工藝仿真的溫度曲線

l 應力分析

在熱分析的基礎上，通過熱應力耦合分析來進行變形以及應力的仿真分析，下圖為打印結束后的變形及應力分布云圖，由此可見：環向掃描的應力低于單向掃描；單向旋轉掃描略低于無旋轉掃描，這與根據經驗得出的結論相符。

圖7.打印結束后的應力分布

綜上，從仿真的角度，不同掃描策略對增材制造零件的溫度、變形、應力皆有影響，而對于圓環件，相對于單向掃描，環向掃描無疑是一種打印時間短、應力及變形皆小的掃描策略。

總結

針對增材制造工藝仿真中工藝掃描模擬的要求，安世亞太和中科煜宸聯合開發了可考慮掃描路徑的工藝仿真軟件AMProSim-DED，本文以此為基礎對工藝掃描路徑對增材制造仿真精度的重要性進行了研究對比，結果表明，考慮工藝掃描路徑后可以得到更為符合實際的計算結果，能夠真實反映不同掃描策略帶來的變形和應力差異，從而真正做到基于工藝仿真技術實現工藝策略的優化設計。