在過去的七年中，制造業產出共增長了約 10~20%，這部分歸功于技術與工藝不斷發展，節省了時間和成本，比如 3D 打印技術和本文所描述的粉末壓制。在最新版本的 COMSOL Multiphysics? 軟件中，我們可以使用全新的多孔塑性模型來模擬該工藝。

粉末壓制促進制造行業進步

粉末壓制 是指將金屬粉末放入模具內，然后施加壓力進行壓實。模具型腔內的沖壓工具（一般位于底面）負責施加高壓。金屬粉末被壓實并塑造成特定的形狀后，將從模具型腔中排出。

利用粉末壓制技術，金屬粉末被制成為固體部件。圖像由 Alchemist-hp 提供，已獲 CC BY-SA 3.0 DE 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。

粉末壓制工藝平均每分鐘可生產 15~30 個部件，這使得制造商能夠快速地設計出堅固的部件。與此同時，部件不需要大量額外處理，所以這套工藝還具有節約成本的優勢。

從仿真的角度來看，我們需要對粉末壓制進行高度非線性結構分析，借此解釋：

• 活動部件之間的接觸

• 適用于金屬粉末的彈塑性本構定律

• 大位移導致的幾何非線性

正如本文將演示的，COMSOL Multiphysics? 5.3 版本是處理此類分析的理想工具。

建模實例：利用粉末壓制制造杯子

在本例中，我們考慮利用粉末壓制制作一個杯形件。幾何模型包含工件（本例中為金屬粉末）和模具。需要注意的是，沖壓工具不是模型設置的一部分。為了壓實粉末，我們在粉末上表面和下表面的法向方向施加指定位移。由于模型呈軸對稱，我們將其簡化為二維模型，從而減少仿真的計算時間。

粉末壓制分析的幾何模型。

最新版本的 COMSOL Multiphysics 包含五種全新的多孔塑性模型，涵蓋各種孔隙率值。

1. Shima-Oyane

2. Gurson

3. Gurson-Tvergaard-Needleman

4. Fleck-Kuhn-McMeeking

5. FKM-GTN

這些模型對于模擬粉末壓制而言很重要，因為我們可以借助它們精確地表征工件的孔隙率，并生成可靠的結果。在本例中，我們將 Fleck-Kuhn-McMeeking 和 Gurson-Tvergaard-Needleman 模型相結合，借此描述鋁金屬粉末。需要注意的是，考慮模具的材料屬性，我們假定它為剛性。

除了上文提到的指定位移邊界條件之外，我們還將內部和外部模具設為固定域。

評估 COMSOL Multiphysics? 仿真結果

基于仿真結果，我們可以評估經過壓實的金屬粉末的各方面特性。首先是體積塑性應變。圓角中心的應變看起來最小，端部的應變較大。工件的拐角點處的應力大約為 12%——可能是與模具摩擦的結果 。

工件在壓制過程結束時的體積塑性應變。

在壓實過程中，隨著部件密度和強度不斷增加，鋁粉末的孔隙率隨之下降。考慮到此例采用的幾何結構和負載，我們預測孔隙率的變化將是不均勻的。下方繪圖展示了粉末的當前孔隙體積分數等值線；即粉末的孔隙率。與工件的中部和頂部相比，較窄的底部的金屬粉末更加緊實。在靠近圓角的中心區域，由于材料在圓角上滑動，因此粉末的緊實度較差。下方動畫演示了體積分數隨時間的變化。

壓實過程結束時的當前孔隙體積分數。體積分數隨著時間的變化。

最后，我們查看工件內的 von Mises 應力。結果表明，壓制越緊實的地方應力越大。

工件內的 von Mises 應力。

利用多孔塑性模型分析粉末壓制

選擇合適的塑性模型對于模擬粉末壓制非常重要；模型最好在分析工具進行了預定義，并且可直接使用。為了滿足用戶的建模需求，COMSOL Multiphysics? 5.3版本提供了五個具有各種不同的孔隙率值的新模型。

來源：COMSOL