北京航空航天大学王华明院士在《增材制造技术发展现状与前景展望》中谈到，3D打印的颠覆性分为三个层次：变革结构；变革材料；变革制造。

 

谈到变革材料，根据3D科学谷的市场观察，在过去的五年里，对于金属打印过程中微观结构的理解和新合金的加工性能已经获得了不少的进步。同时还观察到微观结构的非均质性，在这方面通过表征工作（柱状晶、高取向、孔隙度等）获取对加工冶金学的进一步理解，从而不仅为提高金属3D打印的工艺控制能力，还为材料制备以及后处理提出了新的要求。

 

在SLM选区激光熔化金属3D打印过程中，产品的冶金性能方面还与金属3D打印过程的诸多条件相关。加工参数的设置、粉末的质量与颗粒情况、加工中惰性氛围的控制、激光扫描策略、激光光斑大小以及与粉末的接触情况、熔池与冷却控制情况等等都带来了不同的冶金结果。

 

通常来说加工越快，表面粗糙度越高，这是两个此起彼长的相关变量。另外，残余应力是DED以及SLM加工技术所面临的共同话题，残余应力将影响后处理和机械性能参数。不过，根据3D科学谷的市场研究，根据对冶金方面的驾驭能力，残余应力也可以用来帮助促进再结晶和细小的等轴晶组织的形成。

 

人类在通过3D打印制备新材料方面已经获得了一系列的突破，拿不锈钢材料举例，2017年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）联合乔治亚理工大学和美国俄勒冈州立大学的阿姆斯国家实验室的科学家们通过改变加工参数和过程控制来提高零件的力学性能。通过控制激光能量以及采取快速冷却的过程，科研人员获得了更加致密的零件加工结果（3倍的强度）。

为了确保3D打印制品的可靠性，研究和制备过程中需要充分地分析3D打印制品的材料性能以及进一步了解材料微区的结构和性能、微区再结晶、Kirkendall空穴、成形过程内应力演化行为规律、内部组织形成规律、内部缺陷和损伤形成机理。

在《金属增材制造仿真的解决方案与思路 . 上中篇》中，我们谈到微观尺度的仿真通过获取宏观或介观尺度分析得到的温度梯度或凝固冷却速率，针对金属增材制造后的晶体组织形态、晶粒大小与取向以及缺陷和性能预测等内容的分析，目前主要用到的重要方法包括相场法（Phase Field）、自动元胞机（Cellaur Automaton）等，不同的方法各有特点和限制。

下面，我们来详细了解微观尺度的组织模拟如何助力金属3D打印实现材料的创新。

微观尺度的组织模拟

 

金属增材制造过程获得的微观组织结构将直接影响成型件的性能，获得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶体组织是金属增材制造的重要目标。受金属增材制造复杂过程的影响，晶体的仿真分析也具有相当的难度。

通过宏观分析或介观分析得到的温度场或相变结果数据后，可进一步计算得到热梯度、固化速率、冷却速率和形态因子，这是微观尺度进行金相组织的输入参数。

微观组织数值模拟通常包含确定性方法、概率法和相场法，确定性方法通常有前沿跟踪法，概率法包含蒙特卡罗法和CA法。确定方法和概率方法模拟晶粒生长时都需跟踪固液界面，以此模拟枝晶的形貌，但对三维形貌模拟，有一定的困难；相场方法是以金兹堡-朗道理论为基础，用微分方程体现扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用，用统一的控制方程，不必区分固液相及其界面，能够直接模拟微观组织的形成，相场法和元胞自动机法是微观组织模拟仿真常用的两种数值模拟方法。

•  PF相场法

相场法的关键是引入序参量场F和弥散型界面，使界面位置随空间和时间的变化隐含在相场变量随时间和空间的演化之中，朗道理论用于描述微观组织的演化，微观组织演化则通过求解控制空间上不均匀的序参量场的时间关联的相场动力学方程而获得。相场法的优点主要是无需跟踪界面、易于处理复杂的生长行为（如各向异性等）、与热力学直接相关，可耦合真实热力学、动力学数据库、易于与一些物理机制关联（如外场）。缺点主要在于计算量巨大、速度慢效率低、需构造自由能函数（有时很复杂）、界面不真实、、一些物理参数获取较困难、数学处理复杂，同时可模拟的尺度较小（最大可达几十个微米），计算区域小。

 

三维相场法计算微观金相组织

•  CA元胞自动机法

元胞自动机法的特点主要是空间是离散的、时间是离散的、状态取值是离散的、演化的运算规则是局域的(一般情形）。在凝固模拟过程中, 它基于形核的物理机理和晶体生长动力学理论,用随机性原理处理晶核分布和结晶方向, 从而模拟凝固过程的微观组织。CA方法将整个凝固区域划分为不同的网格, 采用其节点标示不同网格区域的状态, 然后按照该局域的凝固条件确定适当的演化规则进行状态演化, 从而可以定量的描述晶粒形核长大的过程。

CA 方法的优点是: 具有一定的物理基础; 模拟出来的微观组织不依赖于计算过程中的单元网格划分结构;计算速度远高于相场法; 计算的区域可以比较大 ( 达到宏观增材打印结构尺寸一级) 。这些优点使得它很适合于描述自由枝晶、柱状枝晶的形成以及柱状晶与等轴晶之间的转化、凝固与结晶、晶粒长大与再结晶、相沉淀与相分解、位错花样的形成等过程。以晶粒生长为例，元胞自动机的模拟过程主要有确定形核、选择时间步长、计算温度场、计算溶质场、计算界面元胞的生长动力学、确定胞状态、捕捉邻胞、计算曲率等过程组成。

CA 方法在凝固微观组织模拟中的应用, 还迫切需要完善具有坚实物理基础的生长动力学规则和包含流场模型在应用面上的拓展。

 

元胞自动机法在晶粒生长演化过程中的运用

•  PF vs CA方法对比

相场法与元胞自动机法的对比比较如表1所示：

相场法与元胞自动机法对比

• 微观尺度分析的价值和商业化软件

基于温度梯度和凝固速率，包括熔池尺度结果，微观尺度仿真分析可以预测熔池尺寸,不完全融化，孔隙预测，材料相态输出，球化预测，微观金相结构预测。可以获取颗粒尺寸，朝向，枝晶生长方向，一次和二次枝晶结构，初始位错密度。其对增材制造的工艺价值和意义巨大，主要表现在：

• ·深入研究增材制造过程微观机理。
• ·探索机器、材料、几何和工艺参数如何影响温度历史、残余应力应变、内部缺陷、熔池特性、金相结构等。
• ·帮助设计更好的设备，研究新材料，开发优化的扫描策略和工艺参数包。

 

激光功率和扫描速度的PV组合影响微观金相组织

• ·大大加速新材料、新机器和新工艺参数包开发，常规设备开发中工艺测试需要进行大量的线扫描，层扫描，体扫描，观察和测试致密度、层搭接率、金相组织观察和材料力学性能测试。
• ·为进一步预测材料打印性能提供必要输入。

目前ANSYS增材工艺仿真系列模块中，Additive science模块将提供微观尺寸的仿真分析，下图即是IN718微观结构预测(颗粒尺寸和组织)的仿真和试验对比结果。

IN718微观结构预测仿真和试验对比

微观尺度仿真分析预测了单向扫描摹式下的颗粒尺寸、形态和组织，模拟结果与实验结果吻合良好，这些信息可以用于后续预测各向异性力学性能参数。

金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系

 

金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系如下图所示：

金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系图

增材工艺仿真的趋势和发展方向

 

增材工艺仿真目前比较关注的仿真应用还包括下面专题：

• ·后处理如热等静压、热处理对宏观变形和消除残余应力影响的分析，微观如致密度提升及金相组织改善微观模拟。甚至包括后续机加工艺过程模拟，模拟流内表面光滑模拟等。
• ·宏观模拟仿真中的支撑处理和等效模拟，包括体支撑，Cone支撑和Block面片支撑，后续更丰富的支撑也会在宏观工艺过程模拟中考虑。
• ·微观金相组织模拟结果，将直接支撑后续的材料力学性能预测和评估，这部分更多地采用系统公式衔接金相结果和性能数据预测中。

 增材工艺仿真的趋势和发展方向，笔者认为呈现这几个方向：

• ·宏观尺度的增材工艺仿真模拟将越发普及和工程化应用，不仅仅是工艺设计和制造部门，增材设计也逐步引入工艺仿真，以保证设计产品的可打印性；
• ·材料—设备---被打印件---支撑设计和工艺设计----工艺参数包----宏观特性----微观特性---后处理---性能预测，整个过程将被流程化和平台化；
• ·介观分析和微观分析将逐步从研究和科研阶段开始迈入工程化使用；
• ·基于物理过程模拟驱动的支撑设计优化软件将得到面世；
• ·AI算法和多尺度算法将驱动测试数据和增材工艺仿真数据，实现线下预测模型；
• ·更多的金属材料数据将被测试并录入、更多地金属增材工艺方法将得到仿真和应用。

关于安世亚太

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