工业技术研究所(Industrial Technology Research Institute)的工程师们构建了一个模拟应用程序，可以用来预测激光粉末床聚变(一种增材制造工艺)的性能。在台湾创新空间为混合动力火箭发动机制造3D打印喷射器的增材制造过程中，该应用程序节省了时间和金钱。
由Brianne克里斯托弗
台湾工业技术研究院(ITRI)为台湾创新空间(TiSPACE)提供3D打印原创设计制造(ODM)、再设计和仿真服务。工研院,3 d印刷过程为喷油器组件用于TiSPACE混合火箭发动机开始注意的乐观:激光融化和融合的第一层粉到构建板,重新涂蔓延在第一层下一层粉,和激光融化,融合层。继续构建，一层接一层，没有问题。
然而，突然，重装机卡住了。激光产生的热量在材料中引起了温度梯度，这导致了各层的变形，最终导致了卡壳。整个过程终止。
工程师们又试了一次。这一次，构建完成了，但最终的结果是一个带有变形的注入器，使它无法使用。小组进行了第三次尝试。和第四个。
工程师们意识到，他们需要优化整个过程的参数，以确保成功构建，但是反复试验的方法会浪费时间、精力和成本。
直观且成本效益高的增材制造流程
激光粉末床熔化(LPBF)是一种增材制造(AM)过程，其中激光熔化和熔合粉末在一起。LPBF也是一个笼统的术语，描述了选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS)等过程。在LPBF过程中，在构建平台上覆盖一层薄材料，通常约为30-50 μm。激光将模型的第一层熔化，然后用滚轮或重胶机将下一层粉末覆盖第一层。更多层的粉末被涂在上面并熔化，直到完整的部分或组件被建造出来。(在一种不同的过程中，用电子束代替激光，在真空中建造。)
LPBF使制造商能够制作复杂的形状，部分原因是由于激光的高分辨率。这种类型的AM的另一个好处是，从一个建造的未使用的粉末可以合并回机器和用来制造其他东西，这使得AM比其他类型的制造过程更有成本效益，而其他类型的制造过程会浪费材料。由于这些优点，LPBF被用于各种类型的制造，包括航空航天、汽车和医疗行业。在牙科和珠宝制作中也很常见。
然而，LPBF也有自己的一系列挑战。首先，这一过程涉及高度局域激光加热，这导致材料中有一个很大的热梯度。这种梯度会在打印过程中产生残余热应力和变形。如果这种残余变形过大，就会导致机器的再加工部件卡住，从而终止整个制造过程。如果机器堵塞并终止了构建，则必须重新启动该过程，这将浪费金钱和时间。另一个风险是成品可能会变形，有时会超出最终用户的可接受限度。
使用LPBF制造火箭发动机部件
ITRI研究LPBF过程，努力平衡其成本和时间限制与制作精良的成品。研资院激光与增材制造技术中心(LAMC) AM系统创新部的研究人员，包括工程师钟伟坤和蔡宗文，以及经理Steven Lin，该3DP喷油器是由TiSPACE设计的，旨在提高发动机混合推进剂的混合效率，并采用流体动力学优化设计。国际工研院使用增材制造(DFAM)技术进一步改进了设计。正如Wai-Kwuen Choong所说，“该部件复杂的内部流动通道和坚固的部件特性，使其成为LPBF技术的出色演示。”
在制造注入器时，与LPBF相关的设计挑战是非常重要的。在这种尺寸的部分，通常是110 mm × 110 mm × 170 mm，热应力的积累是不可避免的，并可能导致在z方向(注射器的轴向)的大变形。这种变形可能——而且已经——导致重镀机堵塞和系统终止。通过优化LPBF流程以避免变形，ITRI和TiSPACE可以减少由于终止构建而造成的时间和成本浪费。
用机械模型预测未来的结果
通常，LPBF过程的结果是使用简化的经验规则和试错法来预测的。一个例子是45°规则，这是增材制造领域中一个简单且普遍接受的规则，设计应该避免包含超过45°的悬垂角，否则就不是3D打印的好选择。这是因为要打印的图层会比下面的图层突出太多，而新的图层从下面没有足够的结构支撑。这条规则不考虑像3DP喷射器这样复杂的设计，所以反复试验会很快消耗制造项目的时间和成本。相反，ITRI使用模拟来预测制造零件的残余应力和变形(图2)。为此，他们求助于COMSOL Multiphysics软件。
为了预测热梯度如何在注入器设计中引起应力和变形，该团队在初步模拟中采用了固有应变法。该方法最初是为了快速预测焊接问题中的残余应力和变形而建立的，但也越来越多地用于解决金属增材制造问题。
该团队使用结构力学模块中的固体力学界面进行热力学分析。这样做，他们可以估计残余应力和变形在制造零件。COMSOL软件中的Activation特性专门用于增材制造，非常适合模拟LPBF中涉及的重复、逐层添加和融合。他们还使用优化模块在构建过程中优化部件的方向和支撑结构。
将ITRI AMSim应用程序引入到生产流程中
ITRI团队使用模拟成功预测了LPBF过程中的应力和变形结果，但仍然存在一个问题:部署LPBF过程的AM系统制造工程师通常不熟悉模拟。雇佣一个模拟专家来做这件事只会增加项目的时间和成本。要做什么吗?
该团队构建了一个仿真应用程序(图3)，具有直观的用户界面和LPBF模型的专门输入和输出，并将其命名为ITRI AMSim应用程序。应用程序可以使用内置的Application Builder从COMSOL Multiphysics中的现有模型构建。该模拟应用程序使工艺工程师能够预测和评估优化制造工艺的构建特性。它包括STL文件、弹性或弹塑性模型(可与非线性结构材料模块一起使用)的输入，以及启用或禁用切割过程模拟或去除基板的选择。它还包括五种不同的粉末材料，包括钛合金Ti 6Al-4V;MP1, CoCrMo合金;PH1和316L, s型不锈钢;和AlSi10Mg，一种铝合金。该应用程序的输出是工艺工程师在地板上需要的结果，如在建造阶段和切割后的位移和残余应力分布。
该应用程序的输入是基于实验校准的，ITRI团队通过不同的扫描策略来提取正确的固有应变向量。这个矢量，或矢量的组成部分，取决于粉末材料和激光参数，如激光功率、光束大小、扫描速度、舱口大小等。
该应用程序被编译成一个独立的可执行文件使用COMSOL编译器。编译后的应用程序分发给过程工程师，无需COMSOL Multiphysics®或COMSOL Server许可证即可运行。事实上，ITRI团队自行授权了该应用程序，并向目标用户提供了为期三个月的试用。
当被问及在ITRI和TiSPACE的合并项目中使用模拟应用程序的好处时，Choong回应了节省时间和金钱的好处，并补充说，“这完全是成本问题。”
通过应用程序节省时间和成本
在建造和部署AMSim之前，通过试错法，在TiSPACE上启动和终止3DP注入器的建造四次。每一次，这个过程都失败了，要么是重装器卡住了，要么是部件本身坏了。引入AMSim后，测试过程的总时间减少了75%。该模拟应用程序使团队能够预测组件的高风险区域，并为设计添加更多支持，从而实现了成功的构建。运行物理AM过程来测试部件构建需要大约一周的时间，而应用程序模拟只需要不到一个小时。
将这些试验的人工、机器和材料成本与运行模拟应用程序的成本相结合，进一步降低了成本，这一次降低了83.3%。
最后，与真实制造过程相比，获得3DP喷油器AM过程结果所需的时间减少了99%。
未来的应用增强计划
ITRI团队计划改进AMSim，它已经经历了三次迭代，在材料校准、检测重测器干扰、模拟支持结构等方面添加新功能。他们希望，在应用程序中添加更先进但用户友好的功能，将使它比现在更多的时间和成本效益，通过缩短学习曲线，进一步提高AM行业入门级用户的投资回报。
通过ITRI的AMSim应用程序，3D打印过程的准确预览和无故障生产，正越来越接近现实。
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