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)加工方式難以實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。其中一個經(jīng)典的應(yīng)用包括GE的渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)（ATP），基于3D打印技術(shù)特點，設(shè)計師將855個獨(dú)立部件減少到12個，結(jié)果，超過三分之一的引擎是由3D打印完成的。

      不過要生產(chǎn)出GE的發(fā)動機(jī)這樣的核心零部件，需要對加工的過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)計及工藝路線優(yōu)化提供了方向，提高對裝置的設(shè)計優(yōu)化能力及對工藝的控制能力。

       本期通過安世亞太的《仿真計算在SLM 3D打印機(jī)鋪粉裝置設(shè)計中的應(yīng)用》一文來領(lǐng)略基于Ansys workbench軟件對SLM打印機(jī)鋪粉過程、鋪粉裝置與變形件發(fā)生碰磨的過程如何進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析，并針對不同形狀刮刀進(jìn)行了對比，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)

      選擇性激光熔化過程中鋪粉環(huán)節(jié)對成型過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)計與優(yōu)化，鋪粉過程的參數(shù)優(yōu)化都需要進(jìn)行大量的研究。采用傳統(tǒng)實驗的方法對這些過程進(jìn)行研究需要花費(fèi)大量的時間、人力和物力，且很難從微觀的尺度對這一過程進(jìn)行詳細(xì)的描述。

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

SLM打印機(jī)鋪粉過程中
鋪粉裝置的受力及變形分析

    圖2為鋪粉裝置鋪粉過程的示意圖，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)和鋪粉過程中粉末對刮刀鋪粉的阻力兩個力的作用；

圖2鋪粉裝置鋪粉過程示意圖

     SLM選區(qū)激光熔化金屬3D打印機(jī)在工作時鋪粉裝置循環(huán)往復(fù)在水平方向運(yùn)動進(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，該計算結(jié)果和相關(guān)數(shù)據(jù)變化趨勢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 對比了兩種不同形狀刮刀鋪粉過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，鋪粉過程變形小，該過程的仿真分析為刮刀的優(yōu)化設(shè)計方向提供參考。

圖4 兩種不同形狀刮刀鋪粉過程中的受力及變形情況對比（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程，打印件的制備過程中由于各部位不均勻受熱以及熱循環(huán)和相轉(zhuǎn)變過程中的膨脹和收縮會產(chǎn)生一定變形，打印件高度方向的變形量超過鋪粉層厚會在下一層鋪粉時與刮刀產(chǎn)生碰磨，以致?lián)p壞工件造成工件報廢，或損壞刮刀對后續(xù)的鋪粉產(chǎn)生影響。

       所以對刮刀在發(fā)生碰磨時的力學(xué)分析是必要的，以求能得到刮刀發(fā)生某變形量時，對應(yīng)著會產(chǎn)生多大的力，為刮刀的改進(jìn)設(shè)計作定性指導(dǎo)。

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

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

圖6 刮刀刮過不同高度變形凸起打印件時的受力情況示意圖

SLM打印機(jī)不同形狀
刮刀極端工況時的力學(xué)分析

    評價不同形狀刮刀的優(yōu)劣需要綜合計算和評估刮刀在正常鋪粉時和各種極端工況時的受力及變形情況，進(jìn)而進(jìn)一步對相應(yīng)工況下的鋪粉效果和刮刀的壽命等進(jìn)行評估，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)生碰磨時的受力及變形情況，該過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)計參數(shù)，因此我們針對這一相對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)計作定性指導(dǎo)。

圖7對比了四種不同設(shè)計形狀刮刀刮過相同高度凸起工件時的受力及變形情況，可以看出：

（1）刮刀碰到相同變形凸起的打印件的鋪粉過程中，無論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，刮過障礙物的過程中較小的受力使得刮刀磨損較少，延長使用壽命。

（2）鋪粉過程中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#刮刀刮過障礙物時的變形量最小，較小的變形量可以保證刮刀碰到障礙物時對其他區(qū)域鋪粉過程的影響較小，保證整層鋪粉的均勻。

圖7 不同形狀受力及變形情況對比

總的來說，通過與物理實驗相結(jié)合，仿真計算在SLM選區(qū)激光熔化金屬 3D打印機(jī)鋪粉裝置的設(shè)計改進(jìn)過程中有指導(dǎo)作用，它能夠使得設(shè)計人員更詳細(xì)的分析鋪粉裝置工作過程中的受力及變形情況，對比分析不同鋪粉裝置設(shè)計方案的優(yōu)劣，為相應(yīng)方案設(shè)計及工藝路線優(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，參與并實施多項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。