通过仿真可以管理3D打印的预期质量

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“今天，许多飞机部件都是3D打印的，当然，确保这些部件的质量是非常重要的。虽然增材制造承诺巨大的潜力，然而确保打印质量和知道如何达到期望的质量是个值得研究的领域。

仿真可以帮助到这一点，仿真可以证明和模拟金属激光融化的过程与价值。不仅包括帮助减少失败，还可以提高零件质量，而且有助于缩短制造商的学习曲线。

你知道么？本来你无需交那么昂贵的学费…”

很多制造商不清楚如何考虑材料的特性，以及这些特征如何影响最终产品或其加工性能。大多数时候能够获得满意的打印结果，基于制造商不断尝试，不断“交学费”的结果。

仿真，涉及到粉末材料在激光烧结过程中的行为预测，以及不同的材料性能对产品的影响。
当然，除了材料的特性，当前不同的增材制造设备其细节上的工艺也有不少差异，建模和仿真的挑战是捕捉来自特定制造商的独特性。从质量和认证的角度来看，仿真软件需要配合不同的设备基于物理的可量化的机器参数，建立数据档案。其他的因素，包括粉末后处理变异影响增材制造结果的性能亦需要考虑进来。

这带来了仿真的复杂性。相对来说实现增材制造建模需要达到的几何形状是比较简单的，难度在于实现那些尤其是航空航天领域非常严格的性能标准，包括强度和疲劳性能。

仿真软件自身也需要不断地优化，这需要联合整个增材制造生态系统，仿真软件需要与机器制造商合作，以获得设备的物理参数权利；需要与材料供应商合作，以保证材料科学指标是正确的；需要与测试专家合作，以确保正在测试的零件是正确的；需要和与用户合作，以确保得到更多的预测结果与实际效果之间匹配的权利。根据所有的材料、设备和产品的关键信息，预测如何改变材料，机器和建模。仿真最终的目标是为了使人们不需要交“学费”，将设备当成试验品，仿真的目的是不浪费时间和金钱，避免错误发生。

仿真, 是个大数据的活
拿增材制造仿真软件3DSIM来说，软件需要预测在粉末的特性对产品性能的影响，并确定哪些零件需要严格控制粉末以达到最高性能。严格的规格要求更精确的材料测试，这增加了制造商的成本，越严格的要求对应着越昂贵的测试成本，通过仿真对材料属性在增材制造过程中发挥的作用，减少昂贵材料的浪费，以及避免试验不通过的材料情况发生。

一旦零件的几何形状被建模，仿真软件可以用来预测有代表性的激光扫描路径。模拟得到激光及其与材料的相互作用模型。该模型提供了材料在激光作用下从粉末变成液态再到凝固的科学描绘，模型模拟了粉末在粉末床上被加热、能量的爆破、熔化和快速冷却凝固过程，每一层的构建由此类推。

一旦建立层的扫描策略，模拟仿真可以提供该层准确的温度历史，这种历史可以用来预测材料的晶体结构、孔隙度、变形和残余应力。仿真数据基于设备和材料的物理因素，包括粉末材料的堆积密度，激光能量吸收特性和热传导率。

通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

图片：两种不同加工参数下的温度轮廓

拿3DSIM来说，软件设计基础是通过对超过1000种不同的材料组合性能特点的了解，了解材料的组合对零件哪些方面有较大的影响，从而得到一些有趣的结果，来帮助确定材料特性和熔池宽度以及深度之间的关系，通过精确地模拟熔池宽度和深度，可以直接预测零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。

图片：仿真显示不同的激光扫描方向带来的不同的表面粗糙度结果

其中一个难点是不同材料如何吸收激光能量，这之间的区别是什么样的。很多人都知道这个属性是很重要的，但是要通过开发新的实验来准确而快速地测量这个属性是很难的，这是体现仿真软件可靠性的一个衡量因素。

仿真需要考虑材料的熔化和凝固点。通常情况下，当用户购买粉末的时候，并不注意粉末熔化温度有多快。通常只考虑大小、形状、粒度分布、化学特征。
Supercooling-超冷（或极速冷却），是很少讨论的话题。但是，在增材制造过程中，冷却实际上发生的非常快，通常在超高速（几微秒）的情况下，熔体温度就降低几百度从而凝固。如果温度没有达到，材料实际还是软的，因为凝固不充分。所以仿真不仅仅需要考虑熔点，还需要考虑凝固点。如果没有考虑凝固点，在凝固不充分的情况下，仿真结果的真实性往往会偏离40％。