選擇性激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）作為金屬增材制造技術(shù)中備受關(guān)注的一類代表性技術(shù)，能夠制造出傳統(tǒng)加工方式難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。其中一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用包括GE的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)（ATP），基于3D打印技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)師將855個(gè)獨(dú)立部件減少到12個(gè)，結(jié)果，超過(guò)三分之一的引擎是由3D打印完成的。

      不過(guò)要生產(chǎn)出GE的發(fā)動(dòng)機(jī)這樣的核心零部件，需要對(duì)加工的過(guò)程有著高人一籌的把控能力，這其中，仿真為SLM選區(qū)金屬熔化金屬3D打印的方案設(shè)計(jì)及工藝路線優(yōu)化提供了方向，提高對(duì)裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力及對(duì)工藝的控制能力。

       本期通過(guò)安世亞太的《仿真計(jì)算在SLM 3D打印機(jī)鋪粉裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》一文來(lái)領(lǐng)略基于Ansys workbench軟件對(duì)SLM打印機(jī)鋪粉過(guò)程、鋪粉裝置與變形件發(fā)生碰磨的過(guò)程如何進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析，并針對(duì)不同形狀刮刀進(jìn)行了對(duì)比，為鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選材提供一定的參考依據(jù)。

200SLM金屬打印機(jī)

      選擇性激光熔化過(guò)程中鋪粉環(huán)節(jié)對(duì)成型過(guò)程和最終的成型件質(zhì)量有著重要的影響，鋪粉裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，鋪粉過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化都需要進(jìn)行大量的研究。采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)這些過(guò)程進(jìn)行研究需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，且很難從微觀的尺度對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的描述。

而針對(duì)該過(guò)程建立相應(yīng)的模型，采用有限單元法或離散單元法對(duì)鋪粉過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的仿真，并結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證可以從微觀尺度更好的理解這一過(guò)程，對(duì)鋪粉裝置和鋪粉工藝進(jìn)行更好的優(yōu)化。

SLM打印機(jī)鋪粉過(guò)程中
鋪粉裝置的受力及變形分析

    圖2為鋪粉裝置鋪粉過(guò)程的示意圖，本文假設(shè)金屬粉末為連續(xù)流體，鋪粉裝置中刮刀的受力面受到粉末流體的流體靜壓強(qiáng)(hydrostatic pressure)和鋪粉過(guò)程中粉末對(duì)刮刀鋪粉的阻力兩個(gè)力的作用；

圖2鋪粉裝置鋪粉過(guò)程示意圖

     SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印機(jī)在工作時(shí)鋪粉裝置循環(huán)往復(fù)在水平方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鋪粉，圖3分析了刮刀在不同的鋪粉速率、鋪粉層厚和不同粉末密度的情況下的受力及變形情況，該計(jì)算結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以為鋪粉裝置的選材，鋪粉工藝的改進(jìn)提供參考依據(jù)。

圖3不同鋪粉速率、鋪粉層厚及粉末密度下鋪粉裝置的最大受力及變形情況

     圖4 對(duì)比了兩種不同形狀刮刀鋪粉過(guò)程中的受力及變形情況，可以看出1#刮刀與2#刮刀相比，刮刀的剛度好，鋪粉過(guò)程變形小，該過(guò)程的仿真分析為刮刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向提供參考。

圖4 兩種不同形狀刮刀鋪粉過(guò)程中的受力及變形情況對(duì)比（左圖為1#刮刀，右圖為2#刮刀）

鋪粉裝置（刮刀）與變形凸起
的打印件發(fā)生碰磨時(shí)的力學(xué)分析

    SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印的工藝是快速加熱熔化粉末并快速冷卻凝固的過(guò)程，打印件的制備過(guò)程中由于各部位不均勻受熱以及熱循環(huán)和相轉(zhuǎn)變過(guò)程中的膨脹和收縮會(huì)產(chǎn)生一定變形，打印件高度方向的變形量超過(guò)鋪粉層厚會(huì)在下一層鋪粉時(shí)與刮刀產(chǎn)生碰磨，以致?lián)p壞工件造成工件報(bào)廢，或損壞刮刀對(duì)后續(xù)的鋪粉產(chǎn)生影響。

       所以對(duì)刮刀在發(fā)生碰磨時(shí)的力學(xué)分析是必要的，以求能得到刮刀發(fā)生某變形量時(shí)，對(duì)應(yīng)著會(huì)產(chǎn)生多大的力，為刮刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)作定性指導(dǎo)。

圖5和圖6展示了某一設(shè)計(jì)型號(hào)刮刀在與不同高度變形凸起的打印件發(fā)生碰磨時(shí)的變形及受力情況。

圖 5 刮刀刮過(guò)不同高度變形凸起打印件時(shí)的變形情況示意圖
（隨打印件凸起高度增加，刮刀變形逐漸增加）

圖6 刮刀刮過(guò)不同高度變形凸起打印件時(shí)的受力情況示意圖

SLM打印機(jī)不同形狀
刮刀極端工況時(shí)的力學(xué)分析

    評(píng)價(jià)不同形狀刮刀的優(yōu)劣需要綜合計(jì)算和評(píng)估刮刀在正常鋪粉時(shí)和各種極端工況時(shí)的受力及變形情況，進(jìn)而進(jìn)一步對(duì)相應(yīng)工況下的鋪粉效果和刮刀的壽命等進(jìn)行評(píng)估，以更好地指導(dǎo)相應(yīng)鋪粉裝置部件的優(yōu)化方向。

      本節(jié)列舉了不同形狀刮刀（圖7）在與變形凸起的打印件發(fā)生碰磨時(shí)的受力及變形情況，該過(guò)程的受力和變形情況關(guān)系到刮刀的磨損壽命，鋪粉的均勻性等設(shè)計(jì)參數(shù)，因此我們針對(duì)這一相對(duì)極端工況的受力及變形情況進(jìn)行了分析，可為刮刀的改進(jìn)設(shè)計(jì)作定性指導(dǎo)。

圖7對(duì)比了四種不同設(shè)計(jì)形狀刮刀刮過(guò)相同高度凸起工件時(shí)的受力及變形情況，可以看出：

（1）刮刀碰到相同變形凸起的打印件的鋪粉過(guò)程中，無(wú)論X方向還是Y方向的受力，2#刮刀的受力最大，其次是1#刮刀，再次是3#刮刀，受力最小的是4#刮刀，刮過(guò)障礙物的過(guò)程中較小的受力使得刮刀磨損較少，延長(zhǎng)使用壽命。

（2）鋪粉過(guò)程中4#刮刀的變形量最大（明顯大于前三種刮刀），其次是2#刮刀和1#刮刀，3#刮刀刮過(guò)障礙物時(shí)的變形量最小，較小的變形量可以保證刮刀碰到障礙物時(shí)對(duì)其他區(qū)域鋪粉過(guò)程的影響較小，保證整層鋪粉的均勻。

圖7 不同形狀受力及變形情況對(duì)比

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，仿真計(jì)算在SLM選區(qū)激光熔化金屬 3D打印機(jī)鋪粉裝置的設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程中有指導(dǎo)作用，它能夠使得設(shè)計(jì)人員更詳細(xì)的分析鋪粉裝置工作過(guò)程中的受力及變形情況，對(duì)比分析不同鋪粉裝置設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，為相應(yīng)方案設(shè)計(jì)及工藝路線優(yōu)化提供方向，縮短相應(yīng)的研發(fā)流程。

謝琰軍

     材料物理與化學(xué)專業(yè)，博士學(xué)位，多年材料及增材制造領(lǐng)域研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，參與并實(shí)施多項(xiàng)金屬增材制造科研課題及相關(guān)技術(shù)開發(fā)工作；目前主要從事增材制造設(shè)備及工藝相關(guān)的仿真及咨詢工作。