引 言

燒結過程中“設計”補償變形的能力被視為是實現金屬粘結劑噴射成型（MBJ）快速商業化的關鍵。針對燒結過程的仿真分析，Simufact Additive軟件現已推出了MBJ仿真模塊第三個版本，當前版本能夠準確模擬燒結過程，預測收縮、塌落度和與摩擦相關的變形問題，無論是“可變形”支撐器還是“非可變形（陶瓷）”支撐器，均可以通過仿真得到“預補償”幾何圖形，從而將預補償模型直接輸入到打印機中，保證燒結后的產品精度。文中，通過案例研究，探討了ExOne公司如何使用Simufact Additive來優化客戶所燒結的零件。[首次發表于《金屬增材制造》第6卷第3期，2021]

圖1 自2016年發布以來，Simufact Additive一直是金屬粉末床熔融（PBF）工藝模擬的一流解決方案提供商。此處顯示了在Simufact Additive中仿真大型（400 mm）機器上渦輪泵殼體變形的結果

伴隨著對MBJ工藝無比的期待，以及整個行業對加快采用MBJ進行大規模批量生產的強烈愿望，一種可以有效模擬燒結工藝的仿真軟件尤為重要，Simufact Additive 軟件推出的模擬金屬粘結劑噴射成型的MBJ模塊，滿足了市場需求，并且獲得用戶認可，能夠有效幫助客戶解決燒結變形問題，對燒結變形能夠自動補償計算。

Simufact Additive MBJ金屬粘結劑噴射成型方案

Simufact Engineering一直為金屬成形、焊接、連接、熱處理和增材制造提供一流的解決方案。憑借深厚的知識和經驗，Simufact對如何有效地仿真大多數金屬塑性加工工藝有著深刻的理解。

2020年，Simufact將其金屬粘結劑噴射成形仿真模塊添加到Simufact Additive軟件中。Simufact Additive的MBJ燒結仿真模塊利用現象學、宏觀有限元分析方法來模擬燒結過程中粘結金屬材料粉末的熱粘塑性行為。對此，Simufact Engineering高級研發經理Kiranmayi Abburi Venkata博士解釋道：“燒結過程中的主要機制是粉末材料的擴散和粘結行為，必須在本構關系中捕捉這些行為，以有效模擬燒結過程。”因此Simufact Additive仿真過程考慮到如下因素對燒結結果的影響： 

擴散

減少和消除粉末顆粒之間的孔隙。這是導致收縮的主要行為。

重力

由于重力的作用，當金屬接近熔化溫度時變得更粘稠。

與基板和/或支撐器的摩擦

由于基板和零件或支撐器之間的摩擦而產生的阻力會抑制零件的移動，并導致整體變形以及零件缺陷。

蠕變

在外部載荷（如重力和高溫下的摩擦）的影響下，固體材料永久變形或非彈性變形的趨勢。

晶粒增長

擴散速率隨晶粒尺寸變化。隨著晶粒在燒結過程中長大，收縮率降低

使用Simufact Additive仿真MBJ燒結過程

5-10分鐘即可完成仿真設置。所需的輸入參數包括：

?粘接完成后的生胚幾何模型

?根據需要調整支撐器結構并選擇類型（可變形或陶瓷）

?燒結曲線，如升溫速率、溫度和保持時間

?初始相對密度

?摩擦系數

?相關材料特性，如粘度、表面能或收縮率、晶粒尺寸（如果未包含在庫中）

在ExOne，工程師可以基于MBJ的仿真結果可靠地交付各種金屬的最終零件，其密度高達97%以上，第一次制造時的尺寸精度為1-2.5%，在通過Simufact Additive優化工藝設計（主要是燒結）后，其結果甚至低于1%。

ExOne 成功應用案例

1.金屬絲扣Simufact MBJ仿真應用案例

Simufact軟件可以考慮不同的擺放方式、不同定型工具對燒結變形的影響。如圖2所示，兩種燒結方向導致了完全不同的變形趨勢。水平方向顯示了橋型截面，其中重力是燒結過程中變形的主要驅動因素，在圖中也可以看出明顯的坍塌。而且，摩擦也有明顯的影響，兩側的“腿”在燒結過程中抵抗橫向收縮。在垂直方向更受零件和基板之間的摩擦的影響。從這一方向看，由于摩擦而產生的收縮阻力非常明顯，燒結結果中頂部比底部窄得多。

圖2 水平和垂直燒結方向上目標幾何結構的模擬變形

Simufact具備自動變形補償迭代功能，可以選擇不同的優化目標進行補償，在水平方向自動補償迭代優化仿真中，補償迭代六次，實現了公差小于0.5mm的目標，而垂直方向擺放方式只需要兩次迭代。圖3中突出顯示了與目標幾何結構相比的補償迭代幾何結構的選擇。圖4中顯示了補償工序的進展和成功（第六次）迭代的結果。

圖3從左到右：目標幾何、第一、第四、第六（最終）補償幾何

圖4 最終補償燒結幾何體與補償初始幾何體、表面偏差和顯示每次迭代最大表面偏差的補償對話框的比較

圖5 絲扣補償后的結構水平和垂直方向的燒結效果

圖5顯示了水平和垂直兩種擺放方式，在經過軟件補償后的實際打印結果。從視覺上看，模擬軟件能夠有效地捕捉水平和垂直方向的相關特點，并基于變形來進行補償從而生成補償后的幾何圖形。圖6提供了補償后幾何模型經過實際燒結后的成品的掃描數據，與目標幾何形狀的對比。對于水平和垂直兩種擺放方式，零部件與理論數模之間在99%以上的區域上均保持在 +/-0.25 mm的偏差范圍內。

圖6 在水平與垂直方向將補償幾何體燒結后的掃描數據與目標幾何體進行形狀比較

2.汽車轉向節Simufact MBJ仿真應用案例

圖7 模擬變形和實際燒結目標轉向節幾何結構（帶可變形支撐器）

汽車轉向節的結構較復雜，直接燒結，變形、塌陷缺陷較嚴重，這里采用定型工具支撐燒結，模擬預測得到的最終幾何結構與燒結目標幾何模型的結果的掃描數據具有良好一致性（圖8）。雖然不完全在+/-0.5mm的期望公差范圍內，但約91%的表面測量結果在該范圍內。不可忽略的是轉向節尺寸更大，尺寸最寬位置高達72 mm，而絲扣測量為30 mm。毋庸置疑，對于較大尺寸的部件，要求其與較小部件保持相同的絕對公差更具挑戰性。通過摩擦系數的額外校準，可能會改善相關水平。

圖8 掃描數據和模擬預測的最終幾何形狀之間的形狀比較

以上述案例為例，ExOne在與Simufact Additive的合作中已經取得成功。ExOne已將該軟件應用于多個客戶項目，并驗證了Simufact Additive對MBJ DfAM流程的優化能力與幫助。

ExOne研發總監Kyle Myers表示：“從根本上說，軟件是可行的。我們已經用真實的零件和真實的挑戰證明了這一點。ExOne的目標是驗證Simufact Additive軟件是否直觀地預測零件變形，經驗證答案是肯定的。由于MBJ燒結工藝的數值仿真這一領域非常前沿，我們真的很期待有一款可靠的仿真軟件能在MBJ零件設計補償方面起到改善作用，并希望其能在粘結劑噴射成型市場上走的更遠。Simufact軟件的不斷更新使得它的功能得到再次提升，能夠更好的幫助用戶理解并加速工藝設計，我們預計整個燒結仿真領域也將繼續保持飛速發展。”

結論

在與行業合作伙伴的研發和驗證工作中獲知，Simufact Additive能夠將仿真預測結果與掃描的實測結果之間一致性保持在90%以上。仿真精度高。

金屬粘結劑噴射成型（MBJ）工藝有較大潛力將AM3D打印技術推廣到更廣泛的行業。與其他金屬AM3D打印工藝相比，MBJ工藝加工效率高、生產成本低，并且不會因熔化和凝固而產生較高的殘余應力和應變。

Simufact Additive作為MBJ工藝的可靠仿真軟件，能夠幫助工程師快速迭代設計和制造策略，幫助工程師快速確定補償尺寸，軟件同時具備優秀的魯棒性，能夠協助工程師達到研發成本和速度的最佳平衡。

通過Simufact Additive和ExOne的聯合研究表明，Simufact Additive可以有效地預測MBJ工藝中復雜的燒結行為，降低金屬MBJ工藝在工業化道路上的阻礙。

文獻參考：

Simufact Additive: Binder Jetting workflow with sintering simulation (metal-am.com)

相關產品鏈接：

https://www.anscos.com/simufact.html

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【文章來自海克斯康工業軟件】