雷射粉末床熔融（LPBF）是一種增材製造技術，它利用雷射將粉末熔化並融合在構建板上。雷射粉末床熔融是一個廣義的術語，它涵蓋了諸如選擇性雷射熔化（SLM）、選擇性雷射燒結（SLS）和直接金屬雷射燒結（DMLS）等多種過程。在雷射粉末床熔融過程中，通常將大約 30 ~ 50 μm 的薄層材料均勻散布在構建平臺上，用雷射熔融模型的第一層，然後用輥子或塗覆機將第二層粉末散布在第一層上；依次類推，逐步散布更多的粉末並融合在一起，直到完整的零件或組件構建完成。（在該過程中，可以使用電子束代替雷射，並在真空中進行組裝。）
由於雷射的高解析度，雷射粉末床熔融使得製造商可以製造複雜的形狀。另外，增材製造技術還可以將一次構建中未使用的粉末重新摻入機器中，用於製造其他產品。這使得增材製造的成本效益高於其他耗費材料的製造過程。由於這些優點，雷射粉末床熔融可用於多個領域的製造加工，包括航空航天、汽車和醫療行業。此外，在牙科應用和珠寶製作中也很常見。
但是，雷射粉末床熔融面臨著一系列挑戰。一方面，該過程涉及高度局部雷射加熱，導致材料產生較大的熱梯度。在製造零件時，熱梯度會在材料層中產生殘餘熱應力和變形。如果殘餘變形過大，則可能導致機器的塗覆機組件堵塞，從而終止整個製造過程。如果機器堵塞並終止了構建，則必須重新啟動該過程，這會浪費資金和時間。另一個風險是成品零件也可能產生變形，有時會超出最終用戶的可接受範圍。
火箭發動機部件的增材製造工業技術研究院致力於研究雷射粉末床熔融工藝，以平衡高精度產品成本和時間的限制。來自工業技術研究院雷射和增材製造技術中心（AMMC）增材製造系統創新部的研究人員，包括工程師 Wai-Kwuen Choong 和 Tsung-Wen Tsai，以及經理 Steven Lin，優化了製造 TiSPACE 混合火箭發動機 3D 列印噴射器組件的雷射粉末床熔融工藝（圖1）。該 3D 列印噴射器由 TiSPACE 設計，可提高固液發動機動力推進劑的混合效率，並利用流體動力學優化設計。工業技術研究院使用增材製造設計技術進一步改進了設計，正如鍾偉權所說：「複雜的內部流動通道和合併的部件功能使其成為雷射粉末床熔融技術的絕佳展示 「。
圖 1. 3D 列印噴射器組件
製造噴射器時，必須考慮與雷射粉末床熔融工藝相關的設計挑戰。在一部分尺寸（一般約為 110 mm x 110 mm x 170 mm）中，會不可避免地會累積熱應力，並最終導致在噴射器z軸方向上產生較大的變形。這種變形會而且已經導致塗覆機堵塞致使系統終止。工業技術研究院和 TiSPACE 通過優化雷射粉末床熔融工藝來避免變形，可以減少因終止構建而浪費的時間和成本。
力學仿真預測增材製造結果通常，使用簡化的經驗法則和試錯法預測雷射粉末床熔融加工的結果。例如，45° 規則就是增材製造領域中一種簡單且通用的規則。該規則要求設計應避免包含大於 45° 的懸垂角，否則它不是 3D 列印的理想選擇。這是因為與底部的層相比，新列印的層將突出太多，並且新層沒有足夠的結構支撐。該規則不能解決像 3D 列印噴射器那樣複雜的設計，而反覆試驗會很快消耗項目製造的時間和成本。因此，工業技術研究院選擇了一種替代方案——使用仿真預測製造零件的殘餘應力和變形（圖2）。為了實現這個目標，他們求助於 COMSOL Multiphysics® 軟體。
圖2. 3D 列印噴射器的雷射粉末床熔融製造過程仿真
為了預測熱梯度如何在噴射器設計中引起應力和變形，團隊在初步模擬中採用了本徵應變的方法。最初建立該方法是為了快速預測焊接問題中的殘餘應力和變形，但現在也越來越多地用於解決金屬增材製造問題。該團隊使用 COMSOL® 軟體結構力學模塊中的固體力學接口進行熱力學分析。這樣，他們可以評估製造零件中的殘餘應力和變形。COMSOL® 軟體中的活化功能專用於增材製造，可以完美模擬重複過程，包括雷射粉末床熔融中層與層之間的疊加和融合。此外，他們還使用優化模塊在構建過程中優化了零件的方向和支撐結構。
使用仿真 App 優化製造流程藉助多物理場仿真，工業技術研究院團隊成功預測了雷射粉末床熔融過程中的應力和變形結果，但是仍然存在一個問題：部署雷射粉末床熔融過程的增材製造系統工程師通常並不熟悉仿真，聘請仿真專家只會增加項目時間和成本。這該怎麼解決？
根據雷射粉末床熔融模型，該團隊構建了一個具有直觀用戶界面和專用輸入和輸出的仿真 App（圖3），並將其命名為 ITRI AMSim App。他們使用 COMSOL Multiphysics® 軟體內置的模型構建器根據已有的模型建立仿真 App。使用該仿真 App，系統工程師可以預測和評估優化製造過程中的構建特徵，包括 STL 文件的輸入，彈性或彈塑性模型（非線性結構材料模塊隨附）以及選擇啟用或禁用切割過程模擬或基板移除。該仿真 App 還包括 5 種不同的粉末材料供選擇，包括 Ti 6Al-4V，一種鈦合金；MP1，一種 CoCrMo 合金；PH1 和 316L，不鏽鋼；AlSi10Mg，一種鋁合金。該仿真 App 的輸出是系統工程師在底板上所需的結果，例如構建階段和切割後的位移和殘餘應力分布。
圖3. ITRI AMSim 仿真 App 界面。
該仿真 App 的輸入基於實驗校準，工業技術研究院團隊通過不同的掃描策略執行該實驗以提取正確的本徵應變矢量。該矢量或矢量分量會根據粉末材料和雷射參數（例如雷射功率、光束大小、掃描速度和圖案填充大小等）而變化。
團隊已經使用 COMSOL Compiler™ 將該仿真 App 編譯為獨立的可執行文件。編譯應用程式分發給系統工程師，它可以在沒有安裝 COMSOL Multiphysics® 軟體或 COMSOL Server™ 許可證的環境下運行。實際上，工業技術研究院團隊可以自行許可運行該仿真 App，並在三個月的試用期內將其提供給目標用戶。
當被問及在工業技術研究院和 TiSPACE 的聯合項目中使用仿真 App 帶來的好處時，Choong 對其節約時間和資金的優勢表示認同，並補充說，這完全是「成本問題」。
使用仿真 App 節約時間和成本在構建和部署 AMSim 仿真 App 之前，TiSPACE 的 3D 列印噴射器的構建已開始並通過試錯法終止了四次。每當塗覆機堵塞或零件本身破裂時，該過程都會失敗。引入 AMSim 仿真 App 之後，花費在測試過程的總時間減少了 75％。使用該仿真 App，團隊能夠預測組件的高風險區域並為設計增加更多支撐，從而成功構建組件。完成物理增材製造流程以測試零件構建大約需要一周時間，而使用仿真 App 則需要不到一個小時。
通過計算，反覆試驗所需的人工、機器和材料成本，再運行仿真 App 以後，得到進一步降低（約 83.3％）。
最後，將仿真結果與實際製造過程進行比較，完成 3D 列印噴射器增材過程所需的時間縮短高達 99％。
未來計劃工業技術研究院團隊計劃改進 AMSim 仿真 App，該技術已經經歷了三次迭代，具有用於材料校準的新功能以及檢測塗覆機幹擾、模擬支撐結構等功能。他們希望為仿真 App 添加更多高級但對用戶友好的功能，以提高現有仿真 App 的時間和成本效益，並通過縮短學習曲線進一步提高增材製造行業入門級用戶的投資回報率。
工業技術研究院的 AMSim 仿真 App 可以提供更加逼真的 3D 列印過程預覽和零故障生產。
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