在DED（Directed energy deposition定向能量沉積，下述簡稱DED）增材工藝過程中，由于零部件的重復加熱，極易產生部件的變形問題。借助專業(yè)的金屬定向能量沉積仿真軟件Simufact Welding，能夠對目標件進行瞬態(tài)數(shù)值模擬，在得到變形結果后輸出反變形補償結果，從而大大減少必要的實際物理試驗次數(shù)，降低企業(yè)成本。

Simufact Welding沉積3D打印仿真

實際案例

此次對標案例選擇具有薄壁、彎曲特征的渦輪葉片進行DED增材制造。模型信息：材料為316L，粉末粒度為45μm~106μm、基板尺寸100mm X 100mm X 6mm（長寬高）、葉片前緣到尾緣最大弦長約75mm打印了部分高度約50mm。后續(xù)借助CAM軟件對工件進行了切片與刀路設計，并生成了對應的G-Code文件。采用同軸送粉設備進行打印：激光功率400W、進給速度0.6m/min、光斑直徑0.6mm、送粉速度7.5g/min、層高為0.6mm。在實際加工制造結束后，采用了 GOM ATOS Triple Scan掃描儀進行了高精度的測定，測量誤差在3μm內。

DED增材加工的零部件

仿真分析

針對DED工藝仿真分析，Simufact Welding軟件增加了定義單元集、G-Code導入、按照熱源及路徑自動分配單元集等高效功能，借助上述功能，用戶可以對繁瑣且重復的DED工藝仿真模型進行快速建模。

仿真建模關鍵信息：熱效率0.6、線性六面體網格17萬、最小單元邊長1.2mm、配合最高2級焊接自動細化（實現(xiàn)最小單元0.3mm）、全瞬態(tài)分析、400條軌跡。

仿真結果

將仿真結果與實際掃描儀測量結果進行對比分析后發(fā)現(xiàn)，本次借助Simufact Welding進行仿真分析的精度良好，無論是定性趨勢上還是定量分析上，試驗結果都與仿真結果吻合良好。分別對凹面、凸面、側邊三個視角進行了對比展示，如下圖所示。

為方便對比分析，在葉片的凹面和凸面各取了6個點，并提取數(shù)據進行了對比，如下表所示：

通過觀察，零部件在打印過程中最大的變形量在高度4mm~12mm范圍上，變形最大在在兩個加強筋之間位置的點位1處，向外凸起約0.46±0.01mm。

反變形補償

為了抑制零部件在打印制造過程中的變形量，使用Simufact Welding 反變形補償功能，將變形后的零部件進行反變形補償。變形與反變形比例縮放示例如下，將計算得到的變形結果放大5倍顯示，再將其反變形放大5倍（5倍是為了更好的演示功能，實際反變形應反向放大1倍左右）。

反變形補償是一種用于抑制變形的好方法，我們從幾何輸入端進行修正，使用反變形補償?shù)姆绞綄⑽磥砜赡艿淖冃芜M行反向補償，二者疊加后將得到高精度打印結果。其計算的機理是通過仿真所得的變形結果與原始CAD數(shù)模進行比對，然后將差異反向作用在原始CAD模型上，看似得到了一個“錯誤”的幾何模型，但用它進行實際打印，將得到精度非常高的實體零部件。

補償效果

通過進行反變形補償，將得到的CAD數(shù)模進行正向仿真分析。依據補償后的數(shù)模進行網格的創(chuàng)建與路徑的微調，其他打印參數(shù)將與原始模型保持一致。經調整，原始17.4m的總路徑長度變成了17.8m。仿真結果如下圖所示，反變形補償后，零部件的變形得到了有效抑制。

將原始結果的6個變形位置進行從新提取分析可得，點位2到6的變形量僅在負的0.05mm到0.02mm之間。點位1處的變形量最大，約為0.15mm，但原始變形量0.43mm相對比，已經衰減了約65%。補償前后的變形對比如下表所示。

仿真痛點

DED沉積過程中，零部件的變形不可避免，通過上述介紹我們可以了解到，Simufact Welding軟件能夠對打印過程中的變形等問題進行預測分析，但對于該類型的仿真分析——基于熱機耦合的瞬態(tài)仿真，往往需要耗費大量的建模時間與計算時間。Simufact Welding通過一系列的集成化操作功能，能夠極大的縮減客戶大型模型的搭建時間，而在計算效率方面，最新版的Simufact Welding引入了“ATC”高級熱循環(huán)方法，能夠在保證計算精度的同時，極大的提高仿真效率。

結論

Simufact Welding能夠精確的仿真DED工藝的實際打印過程，能夠對增材零部件變形問題起到預測作用。軟件所具備的諸多專業(yè)模型搭建功能，以及新加入的ATC加速算法，都極大提升了使用者的仿真速度。因此，想要對DED金屬定向能量沉積這種工藝的實際物理過程與結果進行仿真分析，Simufact Welding軟件將是非常不錯的選擇。

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【文章來自海克斯康工業(yè)軟件】