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在激光粉末床熔融金屬3D打印過程中，當零件在建造方向上的橫截面積發(fā)生劇烈變化時，在零件外表面會形成凹陷形缺陷，它被稱為收縮線、收縮棱或變截面收縮棱。
相關研究證實，這種缺陷不僅影響產(chǎn)品外觀和尺寸精度，還會降低疲勞壽命。收縮線處的顯微硬度會降低2%-9%，對疲勞性能敏感的應用需要特別關注。
而筆者在向國內(nèi)頭部企業(yè)的工程師請教時發(fā)現(xiàn)，如用戶對產(chǎn)品的尺寸、性能要求很高，就得想辦法避免它的出現(xiàn)。而如果沒有辦法規(guī)避，就要想辦法補償。
收縮線的產(chǎn)生與兩種情形相關。
首先是打印中斷。這種情況造成零件的熱歷史不持續(xù)，零件經(jīng)歷了冷卻后再被加熱，在續(xù)接位置累積應力引發(fā)了變形。
另一種則與結構特征相關。當相鄰層的截面積出現(xiàn)劇烈突變時，熱梯度、能量輸入與散熱以及冷卻收縮時的向內(nèi)扭曲等因素，都會造成收縮線的產(chǎn)生。
對于第二種情形，能否憑借截面變化就能判斷收縮線的位置？研究顯示，當相鄰層的截面積變化超過約15%時，就會形成收縮線。對于簡單結構，這或許容易判斷，但對于復雜結構，尤其是那些合并了大量零件的一體化結構，零件內(nèi)部是否會產(chǎn)生收縮線就很難或全面的判斷。
因此，靠人力或經(jīng)驗判斷收縮線的位置就存在一定困難。
筆者注意到，國內(nèi)3D打印數(shù)據(jù)準備軟件開發(fā)商漫格科技表示，其推出的VoxelDance Engineering工藝仿真模塊，能夠預測收縮線的位置。
該仿真模塊在虛擬環(huán)境中重建了打印過程的溫度場與應力場。其可在關鍵位置對網(wǎng)格進行細化，對實體與支撐分別設置不同材料參數(shù)，真實反應熱傳導與力學響應差異。
筆者從給出的仿真結果發(fā)現(xiàn)，截面出現(xiàn)劇烈變化處，上下部零件的應力云圖明顯不同，這預示著在此處將會出現(xiàn)收縮線。而實際打印的結果，與仿真結果相吻合。
仿真可以讓工程師提前了解甚至理解金屬3D打印過程中的熱力學變化，如溫度如何分布，熱量如何累積，應力如何產(chǎn)生與釋放等。
仿真的結果將幫助工程師優(yōu)化設計和調(diào)整打印方案。如調(diào)整結構使應力分布更均勻，采用不同的掃描策略來優(yōu)化熱應力分布，還有調(diào)整零件擺放方向，規(guī)避收縮線等。
這些決策大大增加打印成功率，且這種方式并不建立在過度依賴工程師的經(jīng)驗，而是仿真結果上的。
漫格表示，其仿真模塊就是為了解決打印過程中易出現(xiàn)的問題而開發(fā)。
它還使用了GPU并行加速技術，相比傳統(tǒng)的有限元（FEA）求解器運算效率實現(xiàn)了5-10倍的提升。這也使得仿真不必經(jīng)歷漫長的等待，工程師可以在極短的時間內(nèi)完成高精度的工藝驗證。
據(jù)筆者了解，漫格VoxelDance Additive軟件整合了設計、工藝仿真與制造模塊，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)無需反復導出與導入，可直接根據(jù)仿真結果在同一平臺中實現(xiàn)設計迭代與再仿真，這也使得工作效率更高。
注：本文由3D打印技術參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權，謝絕轉(zhuǎn)載。
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