增材制造產(chǎn)品性能預測技術-配套課件

增材制造產(chǎn)品性能預測技術

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增材制造產(chǎn)品性能預測技術

第一章增材制造技術概述第1課

增材制造技術原理及分類增材制造技術原理及分類

目錄增材制造概念增材制造技術原理增材制造技術分類增材制造

什么是增材制造？AdditiveManufacturing(AM),采用材料逐層累加的方法制造實體零件，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。也被稱為：“材料累加制造”、“快速原型”、“分層制造”、“實體自由制造”、“3D打印技術”

等。增材制造（3D打印）增材制造MIT2018全球十大突破技術

2018年Wohlers報告指出金屬3D打印機的銷售額增長了80%，整體3D打印行業(yè)增長了21%。其中金屬3D打印尤其突出，2000-2017年金屬3D打印機銷量數(shù)量如圖1-3所示，2017年銷售約1768個金屬3D打印機，2016年銷售量為983個金屬3D打印機，增幅近80%。金屬3D打印機銷量（2001-2018）增材制造技術原理

增材制造技術是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅動直接制造零件的科學技術體系。所謂數(shù)字化增材制造技術就是一種三維實體快速自由成形制造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的機加工相比較：1）工藝方法的大變革

增材制造技術是一種不同于傳統(tǒng)等減材制造的全新的制造技術，是一種工藝方法的改革與突破2）信息化制造的代表成型制作

加工文件*模型制作定向*分層處理*加支撐計算機

STL模型CAD模型*實體造型方法*STL輸出接口*其它數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)準備處理成型過程CAD造型系統(tǒng)快速成型系統(tǒng)成型零件增材制造分類

關橋院士提出了“廣義”和“狹義”增材制造的概念，“狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術結合、分層累加材料的技術體系；而“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標的大范疇技術群。廣義增材制造

狹義增材制造以激光、電子束等為熱源與CAD/CAM結合分層成形RMMRPMRBM……DMM快速模具制造快速原形制造快速生物模具制造快速…制造金屬零件直接制造復合制造塊體組焊化學氣相沉積堆焊成形電化學沉積成形噴焊成型噴射成型物理氣相沉積冷噴涂成形熱噴涂成形增材制造分類在我國國標GB/T35021-2018《增材制造工藝分類及原材料》中，對增材制造的工藝類型進行了劃分。將目前的增材制造工藝劃分為7類：立體光固化：通過光致聚合作用選擇性地固化液態(tài)光敏聚合物的增材制造工藝。材料噴射：將材料以微滴的形式按需噴射沉積的增材制造工藝。粘結劑噴射：選擇性噴射沉積液態(tài)粘結劑粘結粉末材料的增材制造工藝。粉末床熔融：通過熱能選擇性地熔化/燒結粉末床區(qū)域的增材制造工藝。材料擠出：將材料通過噴嘴或孔口擠出的增材制造工藝。定向能量沉積：利用聚焦熱將材料同步熔化沉積的增材制造工藝。薄材疊層：將薄層材料逐層粘結以形成實物的增材制造工藝。

第2課增材制造技術優(yōu)勢及挑戰(zhàn)增材制造技術優(yōu)勢及挑戰(zhàn)

目錄增材制造技術優(yōu)勢增材制造技術挑戰(zhàn)增材制造優(yōu)勢優(yōu)勢1:無模具快速自由成型，制造周期短，小批量零件生產(chǎn)成本低。傳統(tǒng)加工制造需要原料采購、準備，并且加工過程中還需要不同工序的輪換加工，加工完后還需要進行零件的組裝等等，而這無形之間延長了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。由于不涉及熔煉、鍛造、機加工等工序，增材制造可以使產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短30%～50%，明顯縮短產(chǎn)品的開發(fā)成本與周期。優(yōu)勢2:零件近凈成型，機加余量小，材料利用率高。增材制造技術因為是一次成型，“自下而上”的“分層制造、逐層疊加”而成型的，材料的損耗大部分是用于對模型成型的支撐上，而絕大部分材料是應用于模型的成型上。因此，增材制造相比傳統(tǒng)減材制造更加節(jié)省原料、節(jié)約能源，材料利用率也更高。增材制造優(yōu)勢

優(yōu)勢3:激光束能量密度高，可實現(xiàn)傳統(tǒng)難加工材料的成形。激光具有相干性好、單色性好、方向性好和亮度高的特點，尤其是其高能量束能夠在很短的時間將溫度升高到數(shù)千度，在此溫度下絕大部分的金屬都能夠被熔化加工成型。因此，傳統(tǒng)的難加工材料如38CrMnSiA、TC4等，都可被加工制造出來。優(yōu)勢4:加工的零件結構強度更高、加工應力集中更小。增材制造技術采用的是一體化制造成型技術，相比由零件間組裝成的整體部件具有更強的剛度和穩(wěn)定性。另外，增材制造采用分層制造、逐層疊加的成型技術，在每一片層凝結成型時，已經(jīng)將成型應力釋放，因此制造的零件沒有應力集中或者應力集中現(xiàn)象很少。增材制造優(yōu)勢

優(yōu)勢5:可制造任意復雜形狀和結構的零件，提高設計自由度，柔性高并具有對產(chǎn)品及結構設計變化的“快速響應”能力。在機加工、鑄造或模塑生產(chǎn)當中，對于復雜結構的加工需要額外的刀具或其它步驟。而AM技術不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產(chǎn)品結構越復雜，其制造速度的作用就越顯著。優(yōu)勢6:可實現(xiàn)個性化產(chǎn)品制造。由于具有“自由設計”和“無需工具”的優(yōu)點，增材制造將使得商業(yè)化個性制造成為可能，從運用X線電子計算機斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)打印出百分百符合患者需求的植入物，到個性化的消費品如鞋子、珠寶和家庭用品。隨著科技的進一步發(fā)展，利用增材制造技術還可以直接打印活體組織，制造出符合人體需求的人工器官，實現(xiàn)人工器官的再造將給現(xiàn)代醫(yī)學帶來一次革命性的變革。增材制造技術挑戰(zhàn)首先，需要系統(tǒng)建立增材制造技術的工業(yè)標準。生產(chǎn)過程需要有清晰的指導和參數(shù)設置，以便使生產(chǎn)出的產(chǎn)品具有穩(wěn)定的性能表現(xiàn)。其次，需要進一步擴大可用的材料范圍和產(chǎn)品尺寸。這項困難在航空航天行業(yè)表現(xiàn)得尤為突出，因為它所使用的材料通常需要能夠耐受極高溫和極低溫。最后，對于增材制造技術產(chǎn)品的機械性能需要繼續(xù)深入研究。即使對于增材制造技術所生產(chǎn)的產(chǎn)品的機械性能研究從未停止，但在疲勞性能、殘余應力和斷裂韌性方面還有較大的空白。增材制造技術挑戰(zhàn)對于激光金屬增材制造來說，存在著若干的關鍵科學問題需要進一步深入研究：（1）熱物理問題：由于激光對粉末的熔化過程中，溫度存在著劇烈的循環(huán)變化，從而導致熱應力的產(chǎn)生。3D打印過程中一直處于熱沖擊狀態(tài)，由于溫度不均造成體積不均，如果材料很脆，有可能會斷裂。激光加工過程屬于循環(huán)非均勻固態(tài)相變，在成形過程中升溫降溫一次，相當于熱處理，通過相變點的時間很短，大約0.1秒，會產(chǎn)生組織應力。凝固過程為約束激冷凝固，產(chǎn)生收縮應力。目前的挑戰(zhàn)為內應力難以控制，構件容易出現(xiàn)嚴重“變形或開裂”，會出現(xiàn)翹曲，尤其是大型構件。因此，對于高精度、高效率的金屬大構件增材制造，需進一步研究。增材制造技術挑戰(zhàn)（2）物理冶金問題：冶金、凝固和固態(tài)相變過程超常復雜，“內部質量”控制為科學難題，主要體現(xiàn)在如下的幾個方面：內部冶金缺陷形成機制需要分析和研究如下的幾個問題：主要內部缺陷類型及特征、主要缺陷形成根本原因、力學行為及無損檢驗方法以及如何控制內部缺陷？移動熔池超常冶金及快速凝固行為需要分析和研究如下的幾個問題：超常冶金動力學、晶體形核機制、生長機制、晶粒尺寸、形態(tài)控制方法。超常固態(tài)相變及顯微組織演化行為

需要分析和研究如下的幾個問題：激光成型過程短時循環(huán)固態(tài)相變行為及其特殊顯微組織形成規(guī)律、后續(xù)熱處理固態(tài)相變行為及顯微組織控制。增材制造技術挑戰(zhàn)對于高性能大型金屬構件激光增材制造技術，國際上一直未解決的四大瓶頸難題、技術挑戰(zhàn)為：“熱應力”控制“內部質量”控制“大型裝備”研發(fā)“技術標準”建立

增材制造產(chǎn)品性能預測技術

第二章增材制造產(chǎn)品性能預測

第3課增材制造產(chǎn)品性能表征增材制造產(chǎn)品性能表征

目錄金屬增材產(chǎn)品性能表征非金屬增材產(chǎn)品性能表征概述

以典型的金屬合金材料為例，高強度激光束沿著CAD軟件制定的打印路徑照射在粉末床上將金屬粉末逐層熔融成部件。隨著激光熱源的移動，金屬粉末熔化、凝固，與前一層熔合為一體。金屬的相變、冷卻速度以及其它3D打印參數(shù)如打印速度、激光功率等將影響金屬粉末熔融凝固及其微觀結構。

對于增材制造產(chǎn)品的性能來說，其性能的表征參數(shù)有很多。產(chǎn)品性能是指產(chǎn)品在一定條件下，實現(xiàn)預定目的或者規(guī)定用途的能力。任何產(chǎn)品都具有其特定的使用目的或者用途。產(chǎn)品性能包括性質和功能。

（產(chǎn)品）技術性能指標是描述產(chǎn)品功能特質的兩個基本方面，既相互區(qū)別又有必然的聯(lián)系。技術指標主要指構成產(chǎn)品（主體）的內在特征及其關系集合的量化描述，包括基本要素及其關系亦即結構方面的量化特征描述，主體支撐條件或環(huán)境的描述，系統(tǒng)與外部接口特征的量化描述以及系統(tǒng)自身空間規(guī)模的描述等等。性能指標是產(chǎn)品（主體）功能特質的量化描述，主要包括功能實現(xiàn)的程度，功能維持的持久度，以及功能適用的范圍，功能的實現(xiàn)條件等等。概述

技術性能指標主要包含以下兩方面：

1、技術參數(shù)，包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)與動力參數(shù)。

2、技術參數(shù)是其中的一部分，除此之外，還包括結構、工藝適應性、精度、使用可靠性和宜人性等方面。

對于尺寸參數(shù)而言，具有不同功能的產(chǎn)品，其涉及的尺寸參數(shù)也不盡相同。以汽車為例，汽車的主要尺寸參數(shù)包括軸距、輪距、總長、總寬、前懸、后懸、接近角、最小離地間隙等。對于增材制造的產(chǎn)品而言，除了尺寸參數(shù)的幾何誤差之外，還應該考慮其形位公差，以表征其質量水平。

形位公差包括形狀公差與位置公差，而位置公差又包括定向公差和定位公差，具體包括的內容及公差表示符號如表2-1所示金屬增材產(chǎn)品性能表征

金屬增材產(chǎn)品性能表征2.物相分析

根據(jù)晶體對X射線的衍射特征－衍射線的位置、強度及數(shù)量來鑒定結晶物質之物相的方法，就是X射線物相分析法。每一種結晶物質都有各自獨特的化學組成和晶體結構。沒有任何兩種物質，它們的晶胞大小、質點種類及其在晶胞中的排列方式是完全一致的。當X射線波長與晶體面間距值大致相當時就可以產(chǎn)生衍射。因此，當X射線被晶體衍射時，每一種結晶物質都有自己獨特的衍射花樣，它們的特征可以用各個衍射晶面間距d和衍射線的相對強度I／I1來表征。其中晶面間距d與晶胞的形狀和大小有關，相對強度則與質點的種類及其在晶胞中的位置有關。所以任何一種結晶物質的衍射數(shù)據(jù)d和I／I1是其晶體結構的必然反映，因而可以根據(jù)它們來鑒別結晶物質的物相。金屬增材產(chǎn)品性能表征3.硬度測試4.拉伸性能測試5.金相觀察6.缺陷、斷口及顯微組織測試7.靜態(tài)力學性能(國標GB/T228.1-2010、GB/T13239-2006、GB/T24584-2009…)8.疲勞性能非金屬增材產(chǎn)品性能表征對于非金屬增材制造產(chǎn)品而言，應尤其關注于其幾何變形的考察。對于其性能參數(shù)而言，應考慮其力學性能參數(shù)，包括抗拉強度、屈服強度、延伸率和斷面收縮率。項目重要度H1M1L1硬度+2++拉伸性能+++沖擊性能++0壓縮性能++0彎曲性能+020疲勞性能+0-2蠕變性能+0-抗老化性能+0-剪切性能+00摩擦性能+0-玻璃化轉變溫度/熔融溫度+0-耐熱性能++0密度+++注1：根據(jù)零件的重要性程度可以分為以下三個等級：H-工程用重要零件（安全優(yōu)先）；M-非安全優(yōu)先的功能零件；L-設計或原型階段零件。注2：表中符號+表示應滿足的性能，符號0表示推薦滿足的性能，符號-表示此性能不做要求

第4課增材制造產(chǎn)品質量控制和性能預測增材制造產(chǎn)品質量控制和性能預測

目錄增材制造產(chǎn)品質量控制手段基于仿真分析的產(chǎn)品性能預測技術質量控制手段目前增材制造在材料、裝備、產(chǎn)品性能、質量、尺寸精度、可靠性、材料與設備的匹配性等方面仍缺少有效的質量技術評價標準，在醫(yī)療領域和航空航天領域的認證和審批制度也尚未建立，行業(yè)質量技術評價體系及標準體系尚不完善，也影響了增材制造的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。對于增材制造的的產(chǎn)品來說，常見的質量缺陷包括開裂、變形和超差。在不同環(huán)節(jié)中的可能缺陷如下：熱處理環(huán)節(jié)：1）力學性能不符合要求，2）內部殘余粉末導致缺陷，3）變形導致超差。去支撐環(huán)節(jié)：操作失誤導致?lián)p壞。線切割環(huán)節(jié)：切割失誤導致缺量。表面處理環(huán)節(jié)：1）致密度缺陷沙眼/氣孔等，2）噴砂/噴丸導致的變形（對薄壁結構）。質量控制手段

質量控制手段

對于增材制造質量的持續(xù)改善來說包括如下的因素：人的因素：包括設備的設計與制造、控制系統(tǒng)及軟件開發(fā)/測試、設備供應鏈管理、材料改性與制粉工藝控制、材料檢驗、材料工藝參數(shù)開發(fā)和產(chǎn)品/工藝設計。設備因素：包括激光功率、成型尺寸、鋪粉/送粉質量、氧含量控制、除塵過濾和一致性與可靠性。材料因素：包括粒徑分布、球形度、氧含量和化學成分。過程因素：包括產(chǎn)品設計/工藝設計和后處理?；诜抡娣治龅男阅茴A測技術對于增材制造產(chǎn)品質量的控制方式，除了在加工工藝上不斷進行嘗試和優(yōu)化之外，利用計算機仿真軟件進行不同工藝參數(shù)參數(shù)下的性能預測，也是一種控制產(chǎn)品質量的有效手段。計算機仿真技術的廣泛應用，可提高成形的成功率，促進生產(chǎn)應用。數(shù)字模擬技術包括如下的模擬：成形過程的宏觀模擬

主要包括應力場、溫度場、開裂、變形和刮刀碰撞模擬。借助仿真分析實現(xiàn)構件快速擺放仿真分析優(yōu)化支撐結構借助仿真分析實現(xiàn)構件結構優(yōu)化變形補償提高成形精度增材制造后處理-熱處理仿真分析優(yōu)化基于仿真分析的性能預測技術工藝過程的微觀數(shù)字模擬

微觀熔池和凝固模擬，成形件性能，材料性能的模擬。通過熔池尺寸特征優(yōu)化不同激光功率、掃描速度組合分析不同工藝參數(shù)下粉末未融合產(chǎn)生的孔隙率分析不同工藝參數(shù)下晶粒尺寸、取向特征構件幾何尺度的溫度歷史預測成形惰性氣流流場模擬

惰性氣流速度場、壓力場的數(shù)字模擬。

增材制造產(chǎn)品性能預測技術

第三章增材制造技術仿真分析方法

第5課增材仿真軟件簡介增材制造產(chǎn)品質量控制和性能預測

目錄增材制造產(chǎn)品質量控制手段基于仿真分析的產(chǎn)品性能預測技術增材仿真軟件簡介1）ANSYSANSYS增材制造仿真技術的聚焦點是金屬增材制造工藝，包括粉末床熔融和定向能量沉積兩種。ANSYS面向增材工藝設計的仿真解決方案包括：面向產(chǎn)品設計人員的工藝仿真軟件ANSYSWorkbenchAdditive;面向工藝工程師的ANSYSAdditivePrint;面向金屬增材制造專家、工程分析師、材料科學家、設備、粉末制造商的ANSYSAdditiveScience。

增材仿真軟件簡介2）AmphyonAmphyon仿真軟件由AdditiveWorks公司與Altair合作開發(fā)，AltairHyperWorks軟件用戶可以使用Amphyon。Amphyon的仿真技術也是專注于金屬增材制造，特別是激光熔融增材制造技術。Amphyon仿真模擬的領域是打印預處理和生產(chǎn)自動化，軟件能夠幫助金屬增材制造用戶預測和避免零件在3D打印過程中發(fā)生變形，減少許多與金屬3D打印相關的常見問題，包括裂紋、表面質量差、密度不足等問題。3）SimufactAdditiveSimufactAdditive的仿真模擬涵蓋構建過程模擬以及后續(xù)一系列增材制造步驟的模擬。

構建過程的模擬包括：幫助用戶識別最佳構建方向，自動補償最終零件變形，自動優(yōu)化支撐結構并識別制造問題，如裂縫。SimufactAdditive還能夠對金屬3D打印零件如何經(jīng)歷熱變形進行模擬，從而在設計時熱變形做出補償。Simufact表示，這一功能使失真的位移減少50%，金屬增材制造商無需通過3D打印件進行測試。增材仿真軟件簡介

4）NetfabbAutodesk的Netfabb系列產(chǎn)品可用于模擬粉末床熔融金屬增材制造。Netfabb以其創(chuàng)成式設計功能著稱，但該軟件還包含與增材制造相關的一系列功能：Netfabb產(chǎn)品系列包括三種軟件：NetfabbPremium，NetfabbUltimate和NetfabbLocalSimulation。其中，NetfabbPremium為用戶提供基于云的仿真模擬功能，NetfabbUltimate提供所有云功能，并引入了使用本地計算資源執(zhí)行模擬的能力，具體取決于模擬部件的復雜性和大小。增材仿真軟件簡介5）GENOA3DP與多數(shù)只專注于金屬增材制造仿真的軟件不同，GENOA3DP支持聚合物，金屬和陶瓷的虛擬仿真和分析。GENOA3DP的特征包括預測殘余應力、變形和分層，并預測斷裂、失敗類型，以及每種失敗因素所占比例。6）FLOW-3DFLOW-3D仿真軟件除了能夠模擬金屬直接3D打印工藝，如粉末床熔融和直接能量沉積，還能夠模擬粘結劑噴射3D打印工藝。在粉末床熔融工藝的仿真模擬中，F(xiàn)LOW-3D軟件考慮了粉末填料，功率擴散，激光熔化粉末，熔池形成和凝固，并依次重復這些步驟進行多層粉末床熔合工藝仿真模擬。FLOW-3D可以模擬粉末擴散和填充，激光/顆粒相互作用，熔池動力學，表面形態(tài)和隨后的微觀結構演變。這些詳細分析有助于用戶了解工藝參數(shù)（如掃描速度，激光功率和分布以及粉末填充密度）在影響3D打印部件的構件質量方面的作用。增材仿真軟件簡介7）MaterialiseMaterialise在其Magics軟件中集成了Simufact的仿真功能，金屬3D打印操作人員無需在數(shù)據(jù)準備軟件和仿真軟件之間來回切換，即可利用仿真結果來修改部件的擺放角度和支撐。通過使用Magics中的仿真功能，用戶可以快速發(fā)現(xiàn)并解決加工中的問題，降低加工失敗的風險。這有助于提高金屬增材制造的效率，從而改善運營利潤。8）西門子增材制造仿真是西門子軟件中一個比較新的模塊，因此西門子仍持續(xù)研究增材制造仿真技術。例如，研究仿真精度和方差，與用戶合作測試過程模擬的準確性，如何通過識別局部過熱區(qū)域和調整這些區(qū)域的打印過程來抵消打印失真。此外除了粉末床金屬增材制造仿真，西門子還在開發(fā)塑料3D打印工藝、金屬DED工藝，以及噴射工藝的增材制造仿真技術。增材仿真軟件簡介9）e-Xstreame-Xstream在2013年被仿真軟件公司MSCSoftwareCorporation收購。e-Xstream仿真技術的強項在于復合材料和結構多尺度建模，該公司專注于開發(fā)聚合物和復合材料3D打印仿真技術。10）DassaultSystèmes（達索）達索在3DEXPERIENCE平臺中集成了3D打印仿真功能，包括：創(chuàng)成式設計、增材制造程序員、增材制造研究員和逆向形狀優(yōu)化器。用戶可以在平臺中無縫的使用設計、制造和仿真功能。11）COMSOLCOMSOL擁有多物理場仿真技術，COMSOLMultiphysics結合了最常見的附加產(chǎn)品，包括結構力學模塊，非線性結構材料模塊和傳熱模塊。COMSOL的部分用戶還選擇使用電磁學和化學分析模塊。結構力學模塊可以通過一種稱為材料活化的技術處理無應變狀態(tài)的材料沉積，該模塊通常與傳熱模塊一起使用，以便在材料沉積的同時進行更高級的熱分析。該模塊主要用于金屬3D打印，但偶爾也用于塑料3D打印。該模塊擁有通用工具，可用于增材制造過程所需的刀具路徑模擬。COMSOL有部分客戶是增材制造設備廠商，他們使用COMSOLMultiphysics仿真技術進一步了解專有增材制造工藝背后的物理現(xiàn)象，進一步開發(fā)其3D打印工藝，以及研究如何改變物理過程，以提高打印零件性能。

第6課ANSYS溫度場、應力場和流場分析APDL語言基礎知識應用ANSYS軟件可以實現(xiàn)增材制造過程溫度場、應力場的分析。在溫度場和應力場的仿真分析中，可以采用ANSYSAPDL參數(shù)化語言和ANSYS增材套件中的ANSYSWorkbenchPrint。APDL(ANSYSParametricDesignLanguage)是ANSYS參數(shù)化語言設計，它提供一般程序語言的功能，如參數(shù)、標量、宏、向量以及矩陣運算、分支以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等功能。此外，APDL語言還能夠提供簡單界面定制功能，實現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機制和界面驅動等。利用APDL的程序語言同宏技術組織管理ANSYS的有限元分析命令，就能夠實現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)化后處理結果的顯示，從而實現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。APDL語言可以自動完成大部分圖形用戶界面(GUI)操作任務，甚至可以完成某些GUI無法實現(xiàn)的功能，如參數(shù)化建模和求解控制等。APDL還具有以下特點：如重復執(zhí)行一條命令、選擇結構if-then-else、循環(huán)結構do-loop，能夠實現(xiàn)對標-量、矢量矩陣等進行代數(shù)運算。并且建立的APDL命令流文件不受軟件版本和系統(tǒng)平臺限制，特別適用于復雜模型及模型需要進行多次修改重復分析的問題。

溫度場分析熱傳遞是物理學上的一個物理現(xiàn)象，它是由于溫差引起的熱能傳遞現(xiàn)象。熱傳遞中用熱量定量表示物體內能的改變。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導、熱對流和熱輻射。物體內部或物體間有溫差存在，熱能就必然以以上三種方式的一種或者多種從高溫到低溫處傳遞。ANSYS熱分析基于能量守恒中的熱平衡方程，能夠處理熱傳導、熱對流和熱輻射三種傳熱模式，首先計算節(jié)點的溫度，然后基于溫度場的分析結果再去計算其它物理量。(1)熱傳導熱傳導可以定義成兩個接觸良好的物體間的能量轉換或一個物體內不同部分之間由于溫度梯度引起的內能的交換,。熱傳導遵循傅里葉定律：溫度場分析

（2）熱對流熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。根據(jù)產(chǎn)生的原因不同，熱對流分為自然對流和強制對流兩種，對流一般作為面邊界條件來施加。熱對流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述：（3）熱輻射熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高則在單位時間內輻射的熱量則越多。在工程中通常考慮兩個或多個物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個物體同時輻射并吸收能量。溫度場分析穩(wěn)態(tài)熱分析的步驟如下：建立模型模型建立的過程和ANSYS結構分析操作過程類似，利用ANSYS的前處理器建立模型，其中包括指定單元類型、材料屬性，生成幾何模型和單元網(wǎng)格。施加載荷和求解穩(wěn)態(tài)熱分析時，首先要指定分析類型、分析選項、施加載荷、指定載荷步選項，將熱載荷施加到幾何模型上，在ANSYS中可以施加5中載荷：恒定的溫度，需要在模型的邊界上指定作為DOF約束的固定溫度值；作為節(jié)點集中載荷的熱流率；對流；熱流密度；生熱率。在載荷步選項，可以確定普通選項、非線性選項和輸出選項。進行分析通過菜單MainMenu-Solution-AnalysisOptions確定分析選項，選擇求解器，確定絕對零度。ANSYS將熱分析的結果寫入*.rth文件，該文件中包括基本數(shù)據(jù)（節(jié)點溫度）和導出數(shù)據(jù)（節(jié)點及單元的熱流密度、節(jié)點及單元的熱梯度、單元熱流率、節(jié)點的反作用熱流率及其他）。在后處理模塊，可以通過彩色云圖、矢量圖和列表進行計算結果的查看。溫度場分析瞬態(tài)熱分析能夠確定在時間段內變化的溫度分布和其它物理量，工程中通常利用瞬態(tài)熱分析得到的溫度場計算熱應力。瞬態(tài)熱分析過程和穩(wěn)態(tài)熱分析類似，主要區(qū)別在于瞬態(tài)熱分析中的熱載荷是關于時間的函數(shù)，用戶可以使用函數(shù)工具定義一個方程，或者將時間-載荷曲線分成載荷步來進行。其分析過程也分為三個步驟：

建立模型

施加載荷和求解

在瞬態(tài)熱分析時，為建立初始條件，需要完成穩(wěn)態(tài)熱分析或者在所有節(jié)點施加一個均布的初始溫度。

進行分析溫度場分析生死單元技術如果模型中添加（移除）材料，則相應的模型單元就“存在”或者“消亡”。單元生死選項就是在這種情況下殺死或是重新激活單元。ANSYS中若要某個單元“死亡”，并不是將該單元從模型中移除，而是將其剛度矩陣乘上一個很小的因子ESTIF(缺省值為1.0E-6)。因此，被“殺死”單元的單元載荷近似為0，盡管它仍在單元載荷的列表中，但是不對載荷向量生效。同樣，死單元的質量、阻尼、比熱以及其他類似效果也近似為0。同樣，如果單元“出生”，并不是將其加到模型中，而是重新激活它們。在ANSYS中，使用生死單元需要在前處理操作中生成所有單元。在求解器中無法生成新單元。要添加一個單元時，需要先殺死它，然后在合適的載荷步中再重新激活它。由于增材制造的成型過程隨著時間的推移，材料是在逐步累加的，且多為非線性瞬態(tài)，因此通常采用“生死單元技術”模擬材料的堆積過程。應力場分析應力場有限元模擬基本假設1）材料從熔融態(tài)轉化為固態(tài)這個過程，材料會發(fā)生彈、塑性變形，假設該變形過程與溫度變化不可分；2）材料在塑性變形過程中遵循塑性理論；3）在塑性變形區(qū)內的行為，遵從強化準則和塑性流動準則；塑性理論塑性理論包含屈服準則、流動準則和硬化準則。屈服準則是判斷何時達到屈服，它是彈塑性計算分析的首要條件。流動法則是判斷材料屈服后塑性應變增量的方向，即各分量的比值。硬化規(guī)律是決定給定的應力增量引起的塑性應變增量的大小。應力場分析熱-應力耦合分析耦合場分析是在分析的過程中考慮了兩種以上的工程物理場之間相互作用的分析。增材制造成形過程涉及到的耦合分析為熱-應力耦合分析，首先計算成型件溫度場的分布情況，之后研究在溫度分布的基礎上熱應力情況。耦合場分析的過程取決于所要解決的問題是哪些場的耦合作用。耦合場的分析最終歸結為間接耦合方法和直接耦合方法。直接耦合方法是包含所有自由度的耦合單元類型，只需要一次求解即可得出耦合場分析結果，適用于多個物理場各自響應且相互依賴的情況。由于平衡狀態(tài)要滿足多個準則才能夠取得，因而直接耦合分析一般是非線性的。每個節(jié)點上的自由度越多，矩陣方程就越大，耗費時間則越多。在這種情況下，耦合是計算包含所有必須項的單元矩陣或單元載荷向量來實現(xiàn)的。間接耦合方法是按照順序進行兩次及更多次的相關場分析。它是將第一次場分析的結果作為第二次場分析的載荷來完成兩種場的耦合。在耦合場之間的相互作用是低度非線性的情況下，兩個分析之間相互獨立，該方法會更靈活和方便。間接耦合還可以在不同物理場之間交替執(zhí)行，直到收斂到一定的精度為止。流場分析CFD是計算流體動力學（Computationalfluiddynamics）的縮寫，簡單來說，就是研究流體運動和受力的關系。CFD一般是基于連續(xù)介質理論，要通過數(shù)值方法求解以下的控制方程組質量守恒方程動量守恒方程能量守恒方程組分守恒方程體積力

第7課ANSYS增材套件ANSYS增材套件

目錄ANSYSAdditivePrint仿真分析ANSYSWorkbenchAdditive仿真分析ANSYSAdditiveScience仿真分析ANSYSAdditivePrint仿真分析AdditivePrint仿真強調工藝仿真的易用性和工藝參數(shù)的完備性，從控形的角度為金屬增材制造設備操作者和設計工程師提供了易學易用、快捷、強大的3D打印工藝過程仿真能力。采用固有應變算法，通過標定，將實際的打印設備、材料及打印環(huán)境與仿真相結合，提高仿真精度。幫助工程師進行最優(yōu)成形方向確定、支撐優(yōu)化、宏觀缺陷預測、較少的工藝試錯次數(shù)下實現(xiàn)高質量的增材制造成形。通過輸入材料、幾何模型、支撐結構、掃描路徑、工藝參數(shù)等進行工藝仿真，模擬激光粉末床熔融過程的復雜物理現(xiàn)象，可以預測變形及應力分布，預測高應變區(qū)域及刮板碰撞，并且獲得變形補償模型以及含優(yōu)化支撐的模型，為殘余應力計算、變形分析和打印失敗的預測提供了切實可行的解決方案，使得用戶可以獲得部件公差并避免打印失敗，而無需進行試錯試驗。通過增材工藝過程的仿真，可以實現(xiàn)以下功能：預測變形及殘余應力，輸出變形模型；可逐層查看變形、應力分布；預測高應變區(qū)，可識別部件和支撐中的高應變區(qū)；預防刮板碰撞以及打印失敗；根據(jù)應力輸出優(yōu)化支撐結構；支持反變形設計，可輸出自動變形補償STL文件。

ANSYSworkbenchAdditive仿真分析ANSYSworkbenchAdditive為面向設計工程師的打印評估，強調與設計流程的集成，從控形的角度幫助設計人員對設計的打印可行性進行評估。借助仿真技術在增材制造過程的材料堆積成型過程，深入了解其特有的熱、力學行為并進行詳細預測，預測增材制造過程應力、變形以及缺陷，評估其設計是否可以打印，避免重新設計，從而幫助完成高質高效的增材制造工藝設計。對增材制造所選用的材料需要考慮非線性以及與溫度相關材料屬性，如與溫度相關的密度、導熱系數(shù)、比熱、楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)以及塑性模型等熱力學參數(shù)；提供多種網(wǎng)格剖分技術，笛卡爾網(wǎng)格和分層四面體網(wǎng)格，從而可以匹配不同復雜性的幾何且可以層層激活以便適應增材制造；

在進行增材工藝仿真時，需考慮以下因素對熱交換以及變形損耗的影響，從而使仿真更加貼近實際打印過程：增材制造的工藝參數(shù)，如基板預熱溫度、層厚、掃描速度、掃描間距等等；外界環(huán)境因素，如氣體、粉末的溫度以及其換熱系數(shù)；不同的基板約束條件、非打印件、粉末等因素；采用熱結構耦合算法，可與拓撲優(yōu)化與后拓撲設計形成無縫流程，對設計進行增材工藝仿真；首先進行增材過程的溫度場仿真，在計算的過程中考慮非線性及與溫度相關的材料屬性，模擬逐層材料堆積過程的溫度場；再基于溫度場分布進行結構仿真，模擬堆積過程的變形及應力分布，預測打印過程中的刮板碰撞，從而回答設計是否可打印、如何進行變形補償、最佳打印方向是什么、最佳支撐設計等問題。考慮對增材制造之后的零件進行熱處理、去除基板/支撐等工藝仿真，預測熱處理、去除基板/支撐前后的變形、應力分布，從而來判斷熱處理、去除支撐/基板對變形以及應力的影響，為設計相應的熱處理工藝制度提供指導。ANSYSworkbenchAdditive仿真分析ANSYSAdditiveScience仿真分析熔池參數(shù)孔隙率

第8課增材制造工藝多尺度仿真概述以激光選區(qū)熔化SLM技術為例，成形件內部缺陷SLM成形件內部缺陷（a）裂紋（b）球化（c）孔洞（d）未熔粉末（e）Keyhole（a）（b）（c）（d）（e）缺陷形成因素：（1）原材料-金屬粉末的缺陷氣孔；（2）工藝參數(shù)或加工設備原因

熔合不良、變形、開裂、孔洞氣孔和裂紋

增材仿真分析現(xiàn)狀初始堆積狀態(tài)粉床質量粉末與激光的交互成形件質量存在的問題需進一步探討離線檢測、在線形控調節(jié)建立多尺度、多物理場機理模型，制定缺陷的抑制策略需進一步探討

當前，基于激光增材制造技術實現(xiàn)高熔點、難加工金屬是增材制造技術的重點發(fā)展方向。對于激光增材制造，主要涉及高能激光與金屬粉體作用機理及復雜構件逐層堆積工藝調控機制，以及構件微/宏跨尺度組織與結構優(yōu)化及性能調控機理。對于增材制造技術而言，目前在控形控性技術的研究中，還有眾多的科學問題需要探究。由于增材制造涉及多學科，成形過程涉及多物理場，從而使得這一問題變得非常復雜。目前，國內外尚未對該問題有成熟的解決方案，因此需要在控形控性及工藝調控策略方面進行更深層面的研究。

從該領域國內外的研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，目前在內部缺陷形成機理的研究中，大多停留在實驗研究和宏觀數(shù)值仿真研究的層面。而對于該問題的宏觀數(shù)值仿真，忽略了粉末自身的屬性以及堆積和流動過程，無法真實反映其成形過程。目前少數(shù)的研究開始考慮微觀和介觀尺度，但是在現(xiàn)有的文獻中都沒有考慮金屬粉末特性對內部缺陷形成機理的影響，然而金屬粉末的形狀、大小、粒徑分布、含氧量和振實特性對孔隙率有著非常重要的影響，也同時會影響其熔化過程。因此，為準確建立內部缺陷與成形參數(shù)間的映射關系，必須改變現(xiàn)有的研究方法和手段。從材料-結構-工藝-性能一體化的層面探討成形過程的本質，從多尺度的角度出發(fā)，在計及粉末特性的影響下，同時考慮堆積及振實過程，多尺度全面研究粉末在激光選區(qū)熔化過程中內部缺陷的形成機理。增材仿真分析現(xiàn)狀

而對于多尺度的研究來說，采用離散元DEM(DiscreteElementMethod)-格子玻爾茲曼LBM（LatticeBoltzmannMethod）-元胞自動機CA（CellularAutomaton）方法相結合，探討金屬粉末激光熔化／凝固的介觀尺度熱力學行為及球化機制、激光熔化熔體表面張力與氣泡運動的微觀尺度物理機制以及宏觀尺度的應力變形，從金屬粉體與高能激光的交互耦合機理出發(fā)多尺度探究內部缺陷的形成機理，對SLM的成形過程（鋪粉過程、熔化過程和凝固過程）進行仿真，分析成形構件的力學性能、致密度和孔隙率、顯微組織特征，預測內部缺陷的形成，構建材料屬性、工藝參數(shù)和后處理參數(shù)與金屬增材制件內部缺陷之間的映射關系。突破現(xiàn)有的技術壁壘，對成形的多物理場機制進行全面的探究，從而推動國產(chǎn)控形控性系統(tǒng)的研制與開發(fā)。增材仿真分析現(xiàn)狀

增材制造產(chǎn)品性能預測技術

第四章熔融沉積成形FDM技術仿真分析

第9課FDM技術原理FDM成形原理擠出頭絲材溫度控制零件X-Y軸Z軸

壓輥FDM（FusedDepositionModeling，熔融沉積成形）技術由美國學者ScottCrump將絲狀熱熔性材料（ABS、PLA等）經(jīng)導料裝置送至噴頭，將絲材在噴頭內加熱至熔融態(tài)，噴頭裝置在計算機控制下，根據(jù)零件界面輪廓的基本信息和填充軌跡信息，將熔化的材料擠出，進行X、Y方向的移動，將材料選擇性地涂覆在工作臺上，迅速凝固完成一層截面的打印。然后，工作臺按照設定的分層厚度下降一個高度，完成下一層的打印，直至完成整個實體的打印。成型材料主要為蠟、ABS、PLA、TPE/TPU柔性材料、Wood木質感材料、碳纖維材料和尼龍等，其主要的用途是制作塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型，也可用于設計方案的驗證。

FDM技術特點優(yōu)點：（1）采用非激光成型系統(tǒng)，無需激光器等貴重元器件，因此其使用和維護成本較低。（2）原材料利用率高且可回收再利用，成本較低。（3）打印過程和后處理過程簡單且環(huán)境友好，操作環(huán)境安全，沒有產(chǎn)生毒氣和化學污染的危險。同時，絲材易于保存，不需要進行大量粉塵的回收和處理，也不需要安裝粉塵處理裝置。（4）成本低。相比于其他工藝使用激光器的方法，F(xiàn)DM的機器成本會大大降低，便宜的價格有利于對市場的推廣。缺點：（1）由于噴頭做機械運動，所以打印速度是比較慢的；（2）成形精度很低，根據(jù)其成形原理，可以發(fā)現(xiàn)表面有明顯的臺階效應，因此成形后的表面較為粗糙，其精度最高為0.1mm，因此需要進行后處理-拋光處理，以提高表面質量；（3）打印過程中需要材料作為支撐，但支撐結構去除較為困難，同時也會影響成形件的表面質量。

FDM掃描填充路徑

第10課FDM工藝過程仿真分析FDM成形過程溫度場有限元模擬

熔融沉積成形過程是材料從固態(tài)-熔融態(tài)-固態(tài)轉變的逐層累積過程。在此工藝過程中，由于存在著能量的輸入與轉換，熱過程是決定成形零件精度的重要因素，因此為掌握工藝參數(shù)對成形質量的影響，需研究熔融沉積成形的熱過程。對于FDM熱過程的分析，基于有限元分析的基本理論，建立溫度場有限元分析模型，并確定溫度場分析的邊界條件以及初始條件，進行FDM熔融沉積成形的有限元模擬，依據(jù)有限元的分析結果，可得到不同工藝參數(shù)下熔融沉積成形溫度場的分布情況，為后續(xù)的應力分析和工藝參數(shù)優(yōu)化奠定必要的基礎。

熔融沉積成形過程溫度場分析是一個非常復雜的過程，在數(shù)值模擬時，應分析其瞬態(tài)熱過程，在中，應主要分析其熱傳導和熱對流兩種熱傳遞方式。另外，材料從熔融態(tài)-固態(tài)的轉變過程時，由于溫度不同，因此材料的性質不同，在模擬分析時需要考慮材料的非線性問題。同時，需要采用三維有限元分析進行模擬，分析成形件不同區(qū)域溫度隨時間和空間的變化關系。

（1）溫度場有限元模擬基本假設由于PLA絲材擠出形狀近似為細圓柱體，可將它的擠出過程視作一個個小六面體單元；每個單元初始溫度為材料從噴嘴擠出時的溫度，已堆積材料與空氣進行對流換熱；材料熱塑性參數(shù)的確定主要取決于熱傳導情況；（2）熱分析有限元基本方程

熔融沉積成形溫度場分析過程屬于非線性瞬態(tài)熱過程，熱傳導的控制微分方程為：FDM成形過程溫度場有限元模擬

FDM成形過程溫度場有限元模擬（3）相變潛熱處理

在熔融沉積成形過程的溫度場分析中，ABS、PLA耗材都經(jīng)歷了從玻璃態(tài)-高彈態(tài)-粘流態(tài)-高彈態(tài)-玻璃態(tài)的轉變過程，存在相變潛熱問題。相變潛熱是指相變過程材料吸收或釋放出熱量，對于ABS材料，將熱焓隨溫度的變化計入相變潛熱作為定壓比熱容的一部分，根據(jù)比熱容計算各處溫度的焓值，其溫度熱物性參數(shù)如表4-1所示。對于PLA材料，可采用比熱容突變法處理相變潛熱問題。比熱容突變法是將潛熱的作用以比熱容在熔化范圍內的突變來代替，PLA材料的熔化過渡區(qū)較大，符合該方法的適用范圍，因而該方法對于PLA材料來說是有效且可靠的。表4-1ABS材料不同溫度熱物性參數(shù)

熔融沉積成形過程應力應變場有限元模擬

從上面的分析中可以看出，熔融沉積成形零件在成形過程中不同位置處的溫度分布不均，由于材料具有熱脹冷縮的特性，因此在FDM加工零件中，由于溫度分布不均而引起成形件熱應力以及殘余應力的分布，從而造成成形件普遍存在翹曲變形問題。利用ANSYS仿真軟件，在上述溫度場仿真分析的基礎上，可以進行應力應變場的模擬仿真分析，以探討最優(yōu)的成形工藝參數(shù)。

FDM工藝過程仿真實例點MASS711節(jié)點單元線LINK32二維2節(jié)點熱傳導單元LINK33三維3節(jié)點熱傳導單元LINK342節(jié)點熱對流單元LINK312節(jié)點熱輻射單元面SURF151二維2節(jié)點、3節(jié)點、4節(jié)點單元SURF152三維4節(jié)點、5節(jié)點、8節(jié)點、9節(jié)點單元二維實體PLANE554節(jié)點四邊形單元PLANE778節(jié)點四邊形單元PLANE356節(jié)點三角形單元PLANE754節(jié)點軸對稱單元PLANE788節(jié)點軸對稱單元三維實體SOLID8710節(jié)點四面體單元SOLID708節(jié)點六面體單元SOLID9020節(jié)點八面體單元殼SHELL574節(jié)點殼單元表4-3ANSYS常用的熱分析單元熱分析單元ANSYS熱分析共提供了40余種單元，其中包括輻射單元、對流單元、特殊單元以及前面所介紹的耦合場中-元等。其中常見的用于熱分析的單元有16種，如表4-3所示。在FDM成型過程的仿真分析中，熱分析單元采用SOLID70熱單元進行網(wǎng)格劃分，SOLID70是一個具有導熱能力的單元，該單元擁有八個節(jié)點，每個節(jié)點只有一個溫度自由度，該單元可以應用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的熱分析問題，同時還可以補償由于恒定速度場質量傳遞帶來的熱流損失。

FDM工藝過程仿真實例有限元模型使用PLA材料不需要對底板進行加熱，因而底板溫度即為室溫，為了簡化計算，可以不添加底板。而對于ABS材料來說，打印時底板需要加熱，因此，底板不能被忽略。如圖4-3所示的網(wǎng)格模型中，成形件尺寸為12.0mm×12.0mm×1.2mm，網(wǎng)格大小為0.4mm×0.4mm×0.4mm，單元數(shù)量分別是1299(Honeycomb),1467(Grid),1323(Wiggle)和1435(Rectilinear)FDM工藝過程仿真實例

增材制造產(chǎn)品性能預測技術

第六章基于金屬粉末床的熔融成形PBF技術仿真分析

第11課PBF技術原理和仿真理論基礎PBF技術原理

粉末床熔融成形包括以下常用的技術：直接金屬激光燒結（DMLS），電子束熔化（EBM），選擇性熱燒結（SHS），激光選區(qū)熔化（SLM）和選擇性激光燒結（SLS）。它們的名稱不同，但是成形工藝相同或相似，使用激光束或電子束將材料粉末熔化和融合在一起，逐層燒結粉末。本章以目前廣泛應用的激光選區(qū)熔化SLM為例，介紹其性能仿真方法。

PBF仿真理論基礎

PBF仿真理論基礎

PBF仿真理論基礎

4.潛熱的處理

在SLM過程中由于非常大的溫度梯度，材料會發(fā)生組織和狀態(tài)的改變（即相變），在這個過程中會吸收或放出能量，就是相變潛熱。相變潛熱對熔池的大小形狀和溫度場的分布都有著非常重要的影響，因此在進行有限元模擬時，必須要考慮相變潛熱的問題，避免溫度場的仿真結果和實際有太大偏差。目前處理相變潛熱問題的手段一般有三種，分別是等比熱容法、溫度回升法和熱晗法。5.材料屬性

在SLM分析中，材料的熱物性參數(shù)和力學參數(shù)對仿真模擬結果的精度有著很大的影響。在進行溫度場模擬分析時，必須定義材料熱物性參數(shù)，主要包括密度、熱導率和比熱。進行應力場的模擬分析時，還涉及到材料的力學性能參數(shù)的設置，主要包括彈性模量、屈服強度、熱膨脹系數(shù)和泊松比。PBF仿真理論基礎

第12課PBF工藝仿真過程PBF溫度場仿真

在SLM中激光的快速移動造成了非常大的溫度梯度，并且相對于其他的快速成型技術，SLM形成的熔池尺寸更小，這些給溫度場的測量觀察和研究帶來了很大困難。因此目前對于選區(qū)熔化成形過程溫度場的研究大部分都是建立大量的數(shù)值仿真模型模擬，結合小部分實驗。ANSYS軟件的APDL語言特點是可以實現(xiàn)有限元分析的全參數(shù)化的設計，包括模型的建立、網(wǎng)格的劃分、瞬態(tài)熱分析求解、后處理操作等等。對于復雜、需要反復操作的分析問題，利用ADPL語言可以提高效率、減少失誤率，為用戶節(jié)省了許多時間。

由于SLM溫度場的分析是非線性瞬態(tài)熱問題，用數(shù)值仿真模擬實現(xiàn)成形件的加工過程是比較復雜的，本次仿真模擬要探討不同工藝參數(shù)對熔池尺寸形態(tài)的影響和對溫度場的變化，需要多次對參數(shù)值進行改變，因