金属SLM工艺仿真中关于支撑的分析研究

作者：贺进   安世亚太

近年来随着增材制造技术的逐步发展和成熟，其应用领域也在不断加深和拓宽。相比较于非金属增材制造，金属增材制造在工业领域表现得更具发展潜力。但金属增材制造的发展也仍然面临着很多挑战。以激光选区熔化成型SLM(Selcetive Laser Melting)工艺为列，零件成型过程中常出现翘曲变形，产生变形的原因除了与零件本身的结构特征、机器粉末的稳定性、成型工艺参数以外还受成型过程中支撑设计的影响。与非金属增材工艺如光固化立体成型SLA(Stereo lithography Apparatus)相同，SLM在成型过程中常需要添加支撑以保证零件成型。但由于金属材料在热、力性能方面与非金属材料有着较大差别(如密度大、熔点高、弹性模量大等)，成形过程中工件更易变形。因而在成形过程中，不仅要考虑支撑在重力作用下的固定和定位作用，其对传热、抗变形性能也要求更高。国内外学者通过实验手段对不同支撑设计情况下零件的变形已开展了大量的研究，而本文将从CAE仿真的角度来分析支撑在SLM工艺仿真过程中的作用。

1 金属SLM成形支撑的作用及类别
1.1 金属SLM成形中支撑起到的作用
金属SLM成形过程中对于有悬垂结构的部位，且当悬垂结构与水平方向的夹角小于45°时需要考虑支撑结构设计，支撑结构起到的作用可总结为如下几点：

1）为下一层的成形提供支持，防止塌陷
虽然在SLM成形过程中金属粉末可以为下一层的成形提供支持，但对于工件悬垂部位粉末熔化形成的熔池会在自身重力和毛细作用下塌陷，如果没有支撑下层铺粉时刮刀会直接将已成型部分刮走；此外，SLM成形时也需要在零件和基板之间添加支撑结构，方便后续的线切割操作。

2） 热量传导，防止热变形
金属熔点高，SLM成形过程中在激光作用下粉末将经历熔化和凝固的热循环过程，且整个热循环作用时间极短，这种骤热骤冷会积聚大量的热量，若热量不能及时传导出去就会形成热应力集中造成零件的变形。悬垂部位若没有支撑结构，积聚的热量只能通过周围的粉末进行传导，而粉末的导热系数仅为实体的几十分之一，这些粉末近似起绝热作用， 因此在这些部位极易造成热应力集中导致零件的变形。良好的支撑设计可以将积聚的热量进行有效的传导，从而避免热变形。

3） 防止刮刀碰撞
由热应力集中造成的变形通常是没有固定的方向性。对于不同的结构，热引起的变形可能是水平方向上的膨胀或收缩也有可能造成竖直方向的翘曲，而当热引起的变形在竖直方向上超出刮刀的安全距离将会造成刮刀碰撞。发生刮刀碰撞时，后续的铺粉动作将会受到很大的影响，一旦造成铺粉不均或铺粉不成功那么后续的打印过程就将无法进行。对于这种情形，在支撑设计时除了要考虑支撑的热传导作用外还需要对所设计的支撑的刚度进行评估，即支撑的刚度要足以抵抗由热应力引起的翘曲变形。

除了上述作用外，SLM成形过程中引入支撑还会起到“副”作用，例如添加支撑结构以后将造成打印成本的上升(原材料和时间)，和后处理成本的上升(人工和机加工)；此外支撑的引入也会对零件的表面质量造成影响。

1.2 金属SLM成形中主要的支撑类别
在支撑的具体类别上，SLM主要用到薄壁型的面片支撑和具有一定厚度的实体支撑形式。其中面片支撑在数据形式上是一组没有厚度的STL文件，打印时激光按照路径进行单道曝光，所形成的支撑厚度就是单道熔池的宽度，面片支撑常用于变形较小的部位起到支持和热传导的作用。如下图1就是利用ANSYS SpaceClaim软件设计的面片型支撑，结合零件的具体特征，在对面片支撑进行设计时还可以对与零件接触的齿进行不同的参数设计，此外考虑到后续粉末的去除还经常在面片支撑上预留出粉口，有时为了避免支撑加载在零件上还对面片支撑设有一定的角度偏移。

图1 利用ANSYS SpaceClaim设计的面片支撑

区别于面片支撑，实体支撑是指具有一定厚度的结构，如用Magics设计的树枝型支撑锥形支撑和圆柱形支撑等都是实体支撑。这种实体支撑在打印时通常有对应的工艺参数(激光功率、扫描速度以及扫描策略等)，且在切片时为了与面片支撑和实体零件加以区分，在切片后的文件命名方式上就加以体现。例如切片后的零件往往以part.cli命名，面片支撑以s_part.cli命名，而实体支撑则以part_s.cli进行命名(不同的设备厂家在命名上会有所区别)。除此之外，对于存在大变形风险的结构，金属3D打印的工艺设计人员也常利用CAD软件(如UG、SolidWorks)等对零件进行一些辅助的实体支撑设计，这种实体支撑与Magics生成的实体支撑相比，主要区别在于其打印加工时用到的工艺参数和零件工艺参数相同，可以将其视为零件的一部分，只是在打印完成以后需要借助机加工的方式去除。实体支撑相比较于面片支撑具有更好的热传导性和较高的刚度，但打印后也更难去除。

2 金属SLM工艺仿真过程中对支撑的处理
目前针对金属SLM的工艺仿真主要是对成形过程中的宏观应力应变进行分析，用到的算法有固有应变有限元分析方法和热-结构耦合的热弹塑性有限元分析方法两种。为了在有限元计算时将零件和支撑进行区分，需要对支撑进行一些等效处理。这里以ANSYS Additive Print(基于固有应变有限元分析)和ANSYS Workbench Additive(基于热-结构耦合的热弹塑性有限元分析)为例，来讲解工艺仿真时对支撑的处理方式。
2.1 支撑类型的区分根据零件的实际支撑设置情况，在进行有限元分析时需要对导入计算的支撑进行区分。目前ANSYS Additive Print和ANSYS Workbench Additive对面片支撑和实体支撑都进行了区分导入，如下图2所示是利用ANSYS Additive Print对悬臂梁模型进行分析时可以选择支撑类型，其中Volume-less STL对应的是面片型支撑，Standard STL对应的是实体型支撑。此外，有限元分析软件也可以根据零件的几何特征对需要加支撑的面进行识别并自动生成支撑，如图3所示是利用ANSYS Workbench Additive自动生成的支撑。

图2 ANSYS Additive Print中对支撑的区分

图3 ANSYS Workbench Additive自动生成的支撑

2.2 支撑结构的有限元网格划分
目前无论是用固有应变有限分析方法还是热-结构耦合的热弹塑性有限元分析方法进行SLM的宏观工艺仿真，对于模型的网格划分都用到体素法(Cartesian Mesh)如下图4所示。

图4 SLM工艺仿真时的体素法网格划分(Cartesian Mesh)

如图4所示，在利用体素法对模型进行网格划分时网格的质量较差，特别是模型的局部细节特征不能够很好的进行表征。而对于面片型支撑而言，由于支撑是无厚度的stl型数据，若直接用零件的体素大小对支撑进行划分将会造成很大的计算误差。因此ANSYS Additive Print和ANSYS Workbench Additive对支撑进行有限元网格划分时将采用亚体素法(subvoxel)的方式进行。

图5 支撑的亚体素划分模型

所谓亚体素法就是首先支撑会根据体素法进行网格的初划分，网格生成以后通过调整sample rate这个系数对一个体素单元进行二次划分，例如当sample rate被设置成2时，则体素单元将被划分成8(2╳2╳2)个亚体素；当sample rate被设置成5时，则体素单元将被划分成125(5╳5╳5个亚体素)，再计算支撑所占有的亚体素数目与整个亚体素数的比例，利用所占的亚体素密度来表征支撑的网格密度如上图5所示。

2.3 支撑强度等效处理
实际打印过程中支撑和零件所用到的材料是一致的但打印工艺参数是不相同的，因此加工出来的力学性能也不相同。在利用固有应变进行SLM的工艺仿真时，材料的屈服强度和弹性模量对固有应变的大小有直接的影响，为了在仿真时对零件和支撑加以区分需要对支撑的强度进行等效处理。如在ANSYS Additive Print中就引入了support yield strength ratio来对支撑的屈服强度和弹性模量进行弱化处理；在刚度等效方面，根据实际打印过程中支撑的厚度(主要针对面片型支撑)，在进行工艺仿真时也同样给支撑赋予与实际打印相同的厚度从而完成刚度的等效处理如下图6所示，在ANSYS Workbench Additive中就可以根据实际打印出来的面片支撑特点在有限元计算时对支撑进行设计。

图6 ANSYS Workbench Additive中面片支撑的设置

3 支撑设计对SLM工艺仿真结果的影响
在CAE仿真手段没有应用到SLM的工艺过程仿真之前，对于成形过程中存在的各种成形风险，工艺设计人员只能通过实验的方式一遍一遍的去尝试，再通过几轮迭代来完成产品的打印。而目前无论是基于固有应变法还是热-结构耦合的热弹塑性法的SLM宏观工艺仿真，都能对SLM成形过程中的应力应变、刮刀碰撞区域、高应变区域以及每一层的打印情况做出分析并做出预判。工艺设计人员可以结合仿真的结果对SLM的工艺设计方案(如摆放方向、支撑设计等)进行改进，从而减少打印失败的风险，提高SLM的成功打印效率。下面就借助ANSYS Additive Print对图2中的悬臂梁模型进行计算，分析不同的支撑设计形式和不同支撑等效强度(Support Yield Strength Ratio)对零件SLM工艺仿真结果的影响。

3.1 不同支撑形式对SLM工艺仿真的影响
利用ANSYS Additive Print中的Assumed Strain模式进行计算，材料为AlSi10Mg表现行为为J2 plastic，体素为0.5，Voxel Sample Rate为5，Support Yield Strength为0.5。支撑的设计类型如下表1所示，计算结果如下图7所示。
表1 不同的支撑设计类型

方案一计算结果

方案二计算结果

方案三计算结果

图7 不同支撑设计类型下计算得到的结果

其中A1,A2,A3代表变形结果；B1,B2,B3代表刮刀碰撞结果；C1,C2,C3代表应力计算结果

从图7可以看出，不同的支撑设计会到SLM工艺仿真后的变形、刮刀碰撞以及应力分布都带来影响。这里只是以简单的悬臂梁为例来展示仿真可以对不同的支撑设计方案做出分析，对于实际的打印模型设计人员需要对结果进行分析，并根据仿真结果对工艺方案进行改进。

3.2 不同支撑等效强度对SLM工艺仿真的影响
前面提到金属SLM工艺仿真时需要对支撑的强度进行等效处理，下面同样以ANSYS Additive Print来计算方案二在相同的cone实体支撑情况下，通过改变支撑等效强度因子(Support Yield Strength Ratio)来分析对SLM工艺仿真结果的影响，计算结果如下图8所示。

图8 (a) Support Yield Strength Ratio=0.5时SLM工艺仿真结果

    (b) Support Yield Strength Ratio=0.2时SLM工艺仿真结果

图8（a）（b）分别是当Support Yield Strength Ratio等于0.5和0.2时对悬臂梁模型以及支撑的工艺仿真结果。从仿真后的变形、刮刀碰撞以及应力分布情况来看，对于图2中的悬臂梁模型改变支撑的等效强度对工艺仿真结果的影响要比支撑设计模式带来的影响大。

3.3 利用仿真分析对零件进行支撑优化
图9是利用ANSYS Additive Print对实际打印过程中的两个模型通过仿真分析对支撑进行优化的结果。

图9(a) (b)利用ANSYS Additive Print对支撑进行优化

图10是针对图2的悬臂梁模型利用ANSYS Additive Print计算的基于应力分布得到的优化支撑，其中图10(a)是优化得到的实体支撑形式，图10(b)是优化得到的面片支撑形式。实体支撑和面片支撑的细节特征可以通过调整图10(c)中的参数来进行调节。

图10(a)利用ANSYS Additive Print优化得到的实体支撑

(b)利用ANSYS Additive Print优化得到的面片支撑

(c) ANSYS Additive Print中支撑优化调节参数

4 SLM支撑工艺仿真的不足和展望
SLM 中支撑设计与成形材料、工件结构、工艺参数、接触形式、分布数量等多方面的因素有关，虽然目前借助成熟的有限元分析软件可以对成形过程中由于支撑设计的不同而导致成形失败的风险做出预测但对于真正的工程需求而言，目前对支撑的工艺仿真还是远远不足的，主要体现在以下几个方面：

1)  目前对于支撑的网格划分都采用亚体素法，这种用亚体素密度来代替网格密度的方法会给计算带来很大误差，新的关于支撑的网格划分方法仍然需要改进；
2)  目前关于SLM的工艺仿真中没有考虑实际打印过程中支撑的工艺参数，只是利用强度等效的方法对支撑进行等效处理，这种等效也会给计算带来很大的误差，因此工艺仿真时需要将支撑打印的工艺参数考虑进去；
3)  目前的工艺仿真主要集中在宏观的应力应变情况，没有将支撑的导热效率考虑进去；
4)   对于支撑添加后的可去除性也尚无仿真分析软件进行研究；
5)   利用有限元仿真得到的基于应力分布的支撑，其支撑结构尚需要进一步优化才能够更好的应用于实际打印过程中。
金属SLM成形过程中支撑设计是非常重要的工艺设计环节，支撑设计的是否合理将直接影响到后续的成形，围绕金属支撑仍然有大量工作需要开展。相信在国内外学者以及业内人士的共同努力下，更新、更加稳定以及更具经济效率的支撑结构将被应用到实际打印过程中。这些支撑结构在推动金属SLM走向更深更广的应用领域过程中将会发挥积极重要的作用。

参考文献：
【1】张小川, 康进武 , 融亦鸣, 吴朋越, 等. 增材制造中的支撑设计[J].热加工工艺, 2018,47(12):1-12
【2】ANSYS Additive Users’ Guider(Print and Science), Realease 2019R2, 2019

作者：贺进，多年从事于金属增材制造的设备开发、工艺开发和材料研究等工作，现为安世中德咨询有限公司增材制造与先进设计应用工程师。