增材制造，也被称为3D打印，是一种用金属粉末或金属丝一层一层地制造零部件的方法。增材制造技术不需要传统刀具等多道加工工序，可快速精密的制造出任意复杂形状的零部件，从而解决复杂结构件的成型问题，并极大的减少加工工序，缩短加工周期。作为第三次工业革命的代表技术之一，人们对增材制造工艺兴趣大增，而新一轮的全球制造业竞争极可能是3D打印与高端装备的竞争，因此AM（增材制造）技术的应用将直接影响制造业的发展趋势。

AM技术广泛应用于航空航天、医疗、工业模具等领域，其中金属增材制造技术是目前发展最快，应用前景最好的技术之一，如航空领域的大尺寸金属航空零部件直接制造与组织结构一体化制造。目前金属增材制造技术的应用也面临一些问题，如加工强度不够，残余应力等，如何将先进的金属增材制造技术高效应用于实际的工业制造与生产过程是提高制造业竞争力的关键。

随着计算机技术与仿真分析技术的长足发展，在实际加工前利用先进的数值仿真方法进行金属增材制造过程分析是非常必要的，可为金属增材制造工艺过程优化提供理论分析基础与支撑。金属增材制造的工艺过程复杂，涉及多物理现象的仿真计算，如计算流体力学、熔池动力学、颗粒力学、多相流体力学等。要准确模拟金属增材制造工艺过程，首先需要建立完备先进的多物理模型，基于先进的网格生成技术与求解算法，从而进行金属增材制造工艺过程的快速仿真与优化。

1、金属增材制造数值仿真方案介绍
基于上述金属增材制造过程的仿真特点，采用传统的数值仿真分析技术无法准确高效的捕捉金属增材制造工艺过程关键特征，本文将介绍一种专业的金属增材制造仿真工具FLOW-3D AM。 

FLOW-3D AM是一款专业的金属增材制造仿真软件，其多物理性能提供了金属增材制造过程中对粉末扩散和压实、熔体池动力学、L-PBF和DED的孔隙形成、粘合剂喷射工艺的树脂渗透和扩散的高精度模拟，用于分析和优化AM工艺参数。

针对金属增材制造过程的仿真难点， FLOW-3D AM专业的物理模型和先进的求解器与网格技术可快速解决以上技术问题：

• FLOW-3D AM完备的多物理模型：FLOW-3D AM物理模型包括DEM离散元模型，WELD热源模型，WELD多重反射模型，WELD保护气体模型，WELD熔池与匙孔传热模型，传热凝固模型，气泡和相变模型，表面张力模型，黏度和紊流模型，VOF自由液面模型等，可准确高效的建立金属增材制造工艺过程的多物理模型。

• FLOW-3D AM先进的网格技术：FLOW-3D AM采用矩形网格与FAVOR网格技术可准确表示几何形状，易生成网格且不受几何结构运动或变化的影响，可快速建立仿真所需的网格模型。

• FLOW-3D AM 高效的求解功能：FLOW-3D AM求解器基于有限差分法，利用GMRES解算器进行控制方程的求解，可快速、更高效的进行金属增材制造过程的仿真计算，且支持高性能并行仿真。

2、多物理模型介绍
多物理模型的建立是准确模拟增材制造过程的重中之重，FLOW-3D AM包含增材制造过程涉及的相关物理模型，包括WELD、DEM以及其他相变等相关物理模型。

2.1 FLOW-3D AM-DEM离散元模块
DEM是分析多种实体单元碰撞运动的有效方法，可模拟颗粒碰撞与颗粒间的相互作用，与流动分析结合应用于各个领域。
DEM模块可在图形界面计算颗粒弹性系数；设置颗粒之间 / 颗粒与壁面碰撞的恢复系数；允许接触的颗粒重叠；粗粒化处理（简化计算颗粒数）；设置颗粒静动摩擦系数、壁面静动摩擦系数；考虑颗粒吸引力等。

2.2 FLOW-3D AM-WELD模块
WELD模块包含多种增材制造过程设置模块，包括热源与熔池模拟等相关模型，如下表1所示：

2.3 FLOW-3D AM-其他物理模型
除以上介绍的DEM与WELD模型外，FLOW-3D AM具备其他增材制造工艺过程涉及到的其他多物理模型，如下表2所示：
3、应用案例介绍

目前金属增材制造工艺主要包括激光粉床融合（L-PBF）、黏结剂喷射和定向能量沉积（DED）等，FLOW-3D AM自由曲面跟踪算法及其多物理模型可以高精度地模拟上述工艺过程，包括铺粉、熔池动力学、L-PBF和DED的气孔形成、黏结剂喷射工艺的树脂渗透和扩散，分析和优化工艺参数，为金属增材制造提供独特的仿真视角。

3.1 FLOW-3D AM 激光粉床融合（L-PBF）
L-PBF工艺涉及流体流动、传热、表面张力、相变和凝固等复杂的多物理现象，这些现象对工艺和最终的制造质量有着重要影响。FLOW-3D AM物理模型通过考虑颗粒粒径分布和填料组分，同时求解质量、动量和能量守恒方程来模拟中尺度熔体池现象。L-PBF工艺过程包括：铺粉；粉末熔化和固化；在固化层上铺设新粉末；再将新粉层与之前的层熔化、融合；…。FLOW-3D AM可模拟L-PBF任意工艺过程，下面以选择性激光熔化（SLM）为例进行该工艺仿真案例介绍。

本例SLM过程的三维CFD模型如下图所示：

图1.SLM粉床三维CFD模型

3.1.1 铺粉过程
FLOW-3D DEM可模拟落下随机分布的粒子并堆积铺平来模拟铺粉过程，同时可选择不同的颗粒粒径分布。FLOW-3D DEM还可以对粒子-粒子相互作用、流体-粒子耦合和粒子-运动物体相互作用进行详细分析。此外，它可以指定粒子间的力，以更精确地研究粉末扩散应用。
在DEM模块可设置粉末颗粒参数：（1）在刚性容器内释放大约24000个粉末颗粒。（2）在重力的作用下，颗粒自由降落至容器中。（3）利用一定速度（10m/s）移动的刀片进行粉末刮平。（4）将生成的粉床模型导出。

图2. 粉床生成过程示意图

为研究不同铺粉方式的粉床压实度变化，本例进行了上述刀片刮平（10cm/s）和滚筒在不同速度下刮平的粉床密实度研究。本例滚筒直径5mm，旋转方向为逆时针，平动速度与刀片相同，旋转速度分别为0、3.14、6.28和9.42rad/s。

下图对比了不同铺粉方式下的粉床压实度，可以看出铺粉方式对粉床的压实度影响明显，通过优化铺粉方式可增加粉床的密实度。

3.1.2  熔池模型
铺好粉床后，可以在FLOW-3D WELD中指定激光束工艺参数，以进行高精度熔池模拟。可以详细分析温度、速度、固相分数、温度梯度及凝固速度等。熔池凝固后，FLOW-3D AM压力和温度数据也可导入至Abaqus或MSC Nastran等FEA工具中，以分析应力和变形量。
在WELD模块下设置激光功率200W，激光速度1000mm/s，光斑尺寸52μm，初始温度298K，导入DEM模块设置好的几何文件进行熔池模拟。
仿真结果可知，由于材料蒸发引起的反冲压力，使得激光中心区域有明显的熔池凹陷，当温度超过材料熔点时计算将自动激活相变模型考虑蒸发效应。在与激光运动相反方向的熔池区域形成了回流区，在表面张力的作用下熔池由激光中心区域逐渐扩大。

（a）温度分布

（b）熔池截面速度分布

（c）不同位置熔池截面形状

图5. SLM熔池模拟结果

通过模型试验与仿真对比验证仿真的准确度，CFD熔池区域的尺寸形状与试验值吻合，最大仿真误差小于2%。因此，利用FLOW-3D AM进行激光粉床熔融的模拟，可获得合理的仿真结果用于用户研究与分析。

以上案例参考文献：
Cheng B , Li X , Tuffile C , et al. MULTI-PHYSICS MODELING OF SINGLE TRACK SCANNING IN SELECTIVE LASER MELTING: POWDER COMPACTION EFFECT[C]// 29th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium – An Additive Manufacturing Conference. 2018.
3.1.3 多层增材制造

当第一层熔池凝固后，在固化层上沉积第二层颗粒。指定新粉末层上的激光工艺参数，再进行熔池模拟。通过仿真多层增材制造过程以评估凝固层之间的熔合性，分析凝固层内部的温度梯度，并监测孔隙或其他缺陷的形成。

图7. 多层SLM过程

3.2 定向能量沉积（DED）
FLOW-3D AM的内置粒子模型可用于模拟定向能量沉积过程。通过指定粉末注入速率和入射到固体基体上的热通量，固体颗粒可以向熔池中增加质量、动量和能量。
激光金属沉积（LMD）根据填充材料可分为线材和粉末填充。
3.2.1线材激光金属沉积
线材激光金属沉积是一种基于激光熔覆技术的焊接工艺，零件由激光熔融线材制成，是一种近净成型过程。通过优化激光功率、线材速度和送丝方向，可以提高LMD工艺稳定性。

图8. 线材激光金属沉积原理

3.2.2粉末激光金属沉积
基于粉末的LMD工艺适合创建复杂几何形状的功能梯度材料，不同粉末可预混形成一种定制合金，该工艺制造零件的尺寸精度较高，通过仿真可对粉末注射速度和激光参数进行优化。

图10. 粉末激光金属沉积过程

3.3 黏结剂喷射
粘结剂喷射是一种通过喷射粘合剂使粉末成型的增材制造技术。在黏结剂喷射工艺中，作为黏结剂的树脂被选择性地沉积在金属粉末上，逐层形成零部件，然后将这些零部件烧结以获得更好的致密度，适合制造一些使用激光或电子束烧结（或熔融）有难度的材料。
黏结剂喷射模拟为研究受毛细作用力影响的黏结剂在粉床中的扩散和渗透提供了视角，工艺参数和材料性能直接影响沉积和扩散过程。

图11. 黏结剂喷射模拟

4、技术小结
综上所述，FLOW-3D AM可快速高效模拟和分析多种增材制造过程，如激光粉末床熔化(L-PBF)、粘结剂喷射和定向能沉积(DED)等。通过FLOW-3D AM对金属增材制造过程进行仿真，可为金属增材制造工艺工程师带来持续的价值效益与作用，如：
通过模拟激光熔化，分析熔池形态和锁孔，可映射并预测缺陷设计空间和熔池几何形状。
通过分析粉末扩散和压实参数，可优化滚筒移动速度与方向等。
通过优化激光功率、线材速度和送丝方向，可提高线材激光金属沉积工艺稳定性。
通过优化粉末注射速度和激光参数，可优化粉末激光金属沉积工艺。
通过分析粘结剂的扩散和渗透，可优化黏结剂喷射过程的工艺参数和材料性能。
……

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