通過仿真來管理3D打印的預期效果
“ 今天，許多飛機部件都是3D打印的，當然，確保這些部件的質量是非常重要的。雖然增材制造承諾巨大的潛力，然而確保打印質量和知道如何達到期望的質量是個值得研究的領域。
仿真可以幫助到這一點，仿真可以證明和模擬金屬激光融化的過程與價值。不僅包括幫助減少失敗，還可以提高零件質量，而且有助于縮短制造商的學習曲線。
你知道么？本來你無需交那么昂貴的學費…”
很多制造商不清楚如何考慮材料的特性，以及這些特征如何影響最終產品或其加工性能。大多數時候能夠獲得滿意的打印結果，基于制造商不斷嘗試，不斷“交學費”的結果。
仿真，涉及到粉末材料在激光燒結過程中的行為預測，以及不同的材料性能對產品的影響。
當然，除了材料的特性，當前不同的增材制造設備其細節上的工藝也有不少差異，建模和仿真的挑戰是捕捉來自特定制造商的獨特性。從質量和認證的角度來看，仿真軟件需要配合不同的設備基于物理的可量化的機器參數，建立數據檔案。其他的因素，包括粉末后處理變異影響增材制造結果的性能亦需要考慮進來。
這帶來了仿真的復雜性。相對來說實現增材制造建模需要達到的幾何形狀是比較簡單的，難度在于實現那些尤其是航空航天領域非常嚴格的性能標準，包括強度和疲勞性能。
仿真軟件自身也需要不斷地優化，這需要聯合整個增材制造生態系統，仿真軟件需要與機器制造商合作，以獲得設備的物理參數權利；需要與材料供應商合作，以保證材料科學指標是正確的；需要與測試專家合作，以確保正在測試的零件是正確的；需要和與用戶合作，以確保得到更多的預測結果與實際效果之間匹配的權利。根據所有的材料、設備和產品的關鍵信息，預測如何改變材料，機器和建模。仿真最終的目標是為了使人們不需要交“學費”，將設備當成試驗品，仿真的目的是不浪費時間和金錢，避免錯誤發生。
仿真, 是個大數據的活
拿增材制造仿真軟件3DSIM來說，軟件需要預測在粉末的特性對產品性能的影響，并確定哪些零件需要嚴格控制粉末以達到最高性能。嚴格的規格要求更精確的材料測試，這增加了制造商的成本，越嚴格的要求對應著越昂貴的測試成本，通過仿真對材料屬性在增材制造過程中發揮的作用，減少昂貴材料的浪費，以及避免試驗不通過的材料情況發生。
一旦零件的幾何形狀被建模，仿真軟件可以用來預測有代表性的激光掃描路徑。模擬得到激光及其與材料的相互作用模型。該模型提供了材料在激光作用下從粉末變成液態再到凝固的科學描繪，模型模擬了粉末在粉末床上被加熱、能量的爆破、熔化和快速冷卻凝固過程，每一層的構建由此類推。
一旦建立層的掃描策略，模擬仿真可以提供該層準確的溫度歷史，這種歷史可以用來預測材料的晶體結構、孔隙度、變形和殘余應力。仿真數據基于設備和材料的物理因素，包括粉末材料的堆積密度，激光能量吸收特性和熱傳導率。
通過仿真可以調整工藝參數，以及更換新的粉末，通過軟件確定掃描策略以及選擇粉末。模擬軟件將預測這些改變對零件性能的影響。
圖片：兩種不同加工參數下的溫度輪廓
拿3DSIM來說，軟件設計基礎是通過對超過1000種不同的材料組合性能特點的了解，了解材料的組合對零件哪些方面有較大的影響，從而得到一些有趣的結果，來幫助確定材料特性和熔池寬度以及深度之間的關系，通過精確地模擬熔池寬度和深度，可以直接預測零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。
圖片：仿真顯示不同的激光掃描方向帶來的不同的表面粗糙度結果
其中一個難點是不同材料如何吸收激光能量，這之間的區別是什么樣的。很多人都知道這個屬性是很重要的，但是要通過開發新的實驗來準確而快速地測量這個屬性是很難的，這是體現仿真軟件可靠性的一個衡量因素。
仿真需要考慮材料的熔化和凝固點。通常情況下，當用戶購買粉末的時候，并不注意粉末熔化溫度有多快。通常只考慮大小、形狀、粒度分布、化學特征。
Supercooling-超冷（或極速冷卻），是很少討論的話題。但是，在增材制造過程中，冷卻實際上發生的非常快，通常在超高速（幾微秒）的情況下，熔體溫度就降低幾百度從而凝固。如果溫度沒有達到，材料實際還是軟的，因為凝固不充分。所以仿真不僅僅需要考慮熔點，還需要考慮凝固點。如果沒有考慮凝固點，在凝固不充分的情況下，仿真結果的真實性往往會偏離40％。
圖片：通過仿真來確定支撐結構
總體來說，專門針對于增材制造的仿真軟件是個新領域，在這種方式中，仿真將是管理預期的一種手段，在上機之前告訴制造商什么是可以做的，包括支撐結構的設置，怎樣做是優化的結果。可以說，仿真產生的洞察和理解，減少了制造商的痛苦和不可預知的故障。
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