01增材制造豐富“材料之美”

增材制造（AM）即3D打印技術，自問世以來已經不斷發展蛻變出數十種制造方式，實現了多尺度自由且豐富的“材料之美”。無論從碳纖維、陶瓷、金屬及貴金屬和仿生3D打印及形狀記憶（4D打印）的發展，增材制造作為一種顛覆性新技術，已經廣泛應用在航空航天、醫學、模具、藝術設計和創新教育等領域，成為推動創新的重要推手，為工業發展帶來變革。

作為航空發動機和燃氣輪機的關鍵零部件之一的空心渦輪葉片，其運轉過程一直處于高溫、高壓等極端工作環境中。從傳統的熔模精鑄工藝，流程復雜且配套設備依賴性強，合格率和生產效率受限，到增材制造技術的加入，無論是光固化技術快速制備精鑄用陶瓷型芯，或是選區激光熔化技術(SLM)直接打印合金葉片，使用傳統鑄造難以實現的雙層壁、擾流柱和高精度氣膜孔等特殊復雜結構，在材料逐點熔化逐層生長的3D打印技術面前變得自然且高效。增材制造帶來的不僅是成本降低，更是設計-制造周期的有效縮短和設計自由度的不斷拓寬。

高/低壓渦輪轉子 圖源：《航空制造技術》2021年09期

02仿真幫助增材制造控性控形

目前由于增材行業標準不完善、系統性應用研究待深入，無論對于生產或者研發，在零件制造生產中的精度調控和打印過程材料物性變化、形態演化、組織轉化的深入研究過程中均存在著挑戰。而DfAM增材制造設計一體化流程正是從工業需求出發，使用DfAM基于增材思維的正向設計，從設計端充分發揮增材制造的優勢并顧及增材制造對于材料/尺寸/工藝的限制，考慮特征尺寸約束，進行控形控性設計；進行多尺度仿真，實現設計的快速驗證迭代。

以面向增材制造的新一代換熱器設計為例，首先使用基于隱式建模的nTopology增材設計平臺，進行TPMS胞元填充設計；再基于ANSYS平臺，實現TPMS胞元填充換熱器的快速流體、結構驗證；最終，在實際打印之前采用ANSYS Additive增材工藝仿真技術，預測換熱器成形質量，優化設計結構、工藝方案，保證成形質量。

作為一名增材工藝仿真工程師，在零件打印之前需要考慮到每一道工序可能存在的風險，以SLM技術制造渦輪發動機關鍵零件：高溫合金渦輪轉子為例，由于渦輪盤常工作在復雜非均勻的熱載荷環境下，轉子葉片的尺寸精度和成形質量直接影響著發動機的壽命。使用鋪粉技術打印轉子葉片時，存在刮刀碰撞的風險，進而影響葉片精度和內部質量，而通過增材工藝仿真，可以在打印之前對不同打印方案進行驗證，預測不同支撐結構下的鋪粉狀態，評估支撐結構設置的合理性，通過仿真優化迭代有效控制零件打印風險。

同時，增材制造作為傳統制造的有效補充，金屬AM過程與焊接過程類似，其本身逐層累加的特點決定了金屬材料在成形過程中要經歷復雜的熱循環。材料、結構設計、工藝過程、后處理等諸多因素使得增材制造過程的材料—工藝—組織—性能關系往往難以準確把握。

和傳統制造一樣，對于金屬增材零件，熱處理對其組織與力學性能的調控亦具有重要意義，而合適且有針對性的熱處理工藝需要大量的試驗積累，使用增材工藝仿真便可有效提高增材熱處理工藝開發效率，避免大量的試驗試錯，節省工藝研發周期，降本增效。

03工藝仿真—使增材制造設計一體化更加完整

ANSYS 增材制造工藝仿真套件考慮整個增材工藝鏈的各環節，包括部件驗證、打印設置、工藝過程仿真、支撐生成、打印預測及微觀結構預測等，從而幫助用戶完成高質高效的增材制造工藝設計，無需昂貴且耗時的試錯過程，且不僅適用于激光鋪粉熔融成形技術，而且適用于基于同軸送粉/送絲的增材技術。

熔池尺寸和致密度直接影響著增材零件的機械性能，對零件微觀組織的研究有助于深入了解其力學性能和使用壽命。借助Additive Science可深入研究增材制造過程的微觀機理，預測熔池尺寸、孔隙率、微觀組織、溫度歷史及相變等。

增材過程的溫度場與熔池形成、微觀結構演變、應力分布及零部件變形均密切相關，Additive Science使用熱求解器及微觀組織求解器，進行多尺度溫度場分析，基于熱計算結果，采用CA算法預測微觀組織生長，從而確定最佳工藝參數組合、控制微觀組織結構及機械性能，幫助設備開發及優化，加速新材料開發，優化掃描策略。

Additive Print 使用固有應變算法進行增材制造工藝過程仿真，通過標定，輸入材料、幾何模型、支撐結構、掃描路徑、工藝參數等，預測去除基板前后的變形及應力分布，預測高應變區域及刮刀碰撞，并獲得優化支撐后的模型及變形補償STL模型，幫助增材工藝工程師們優化工藝參數，選擇最優擺放及支撐結構，從而保證打印精度有效控形，避免零件在成形過程中由于截面突變、支撐強度不足、應力集中等因素導致變形、尺寸超差甚至開裂。

同樣，作為面向增材設計工程師的Workbench Additive通過熱力耦合算法，可以對打印過程、熱處理過程的溫度變形和殘余應力及增材制造對應的相關后處理工序：去基板及去支撐過程的變形及殘余應力進行有效預測，且能與拓撲優化形成無縫流程，幫助工程師們完成DfAM增材制造設計一體化流程。

04結 語

盧秉恒院士在《增材制造技術——現狀與未來》一文中提出: 建立“應用發展為先導、技術創新為驅動、產業發展為目標”的研究發展思路，以推進增材制造技術的發展，為創新型國家建設提供有力支撐。借工藝仿真的力量，DfAM增材制造一體化流程得以更加完整，從制造過程的物性變化到復雜結構零件的成形風險控制，一件合格的產品，從設計到打印，乃至大批量增材制造零件的生產, 仿真都不能缺席。

作者：張圓，激光增材制造方向工學碩士，安世亞太DfAM賦能業務部增材工藝仿真工程師，擅長金屬增材工藝仿真及航空航天類零件增材工藝研發。

增材思維，數智未來