设计仿真 | 基于Simufact Welding定向沉积增材仿真的几何变形补偿

在DED（Directed energy deposition定向能量沉积，下述简称DED）增材工艺过程中，由于零部件的重复加热，极易产生部件的变形问题。借助海克斯康专业的金属定向能量沉积仿真软件Simufact Welding，能够对目标件进行瞬态数值模拟，在得到变形结果后输出反变形补偿结果，从而大大减少必要的实际物理试验次数，降低企业成本。

Simufact Welding沉积3D打印仿真

此次对标案例选择具有薄壁、弯曲特征的涡轮叶片进行DED增材制造。模型信息：材料为316L，粉末粒度为45μm~106μm、基板尺寸100mm X 100mm X 6mm（长宽高）、叶片前缘到尾缘最大弦长约75mm打印了部分高度约50mm。后续借助CAM软件对工件进行了切片与刀路设计，并生成了对应的G-Code文件。采用同轴送粉设备进行打印：激光功率400W、进给速度0.6m/min、光斑直径0.6mm、送粉速度7.5g/min、层高为0.6mm。在实际加工制造结束后，采用了 GOM ATOS Triple Scan扫描仪进行了高精度的测定，测量误差在3μm内。

DED增材加工的零部件

针对DED工艺仿真分析，Simufact Welding软件增加了定义单元集、G-Code导入、按照热源及路径自动分配单元集等高效功能，借助上述功能，用户可以对繁琐且重复的DED工艺仿真模型进行快速建模。

仿真建模关键信息：热效率0.6、线性六面体网格17万、最小单元边长1.2mm、配合最高2级焊接自动细化（实现最小单元0.3mm）、全瞬态分析、400条轨迹。

将仿真结果与实际扫描仪测量结果进行对比分析后发现，本次借助Simufact Welding进行仿真分析的精度良好，无论是定性趋势上还是定量分析上，试验结果都与仿真结果吻合良好。分别对凹面、凸面、侧边三个视角进行了对比展示，如下图所示。

为方便对比分析，在叶片的凹面和凸面各取了6个点，并提取数据进行了对比，如下表所示：

通过观察，零部件在打印过程中最大的变形量在高度4mm~12mm范围上，变形最大在在两个加强筋之间位置的点位1处，向外凸起约0.46±0.01mm。

为了抑制零部件在打印制造过程中的变形量，使用Simufact Welding 反变形补偿功能，将变形后的零部件进行反变形补偿。变形与反变形比例缩放示例如下，将计算得到的变形结果放大5倍显示，再将其反变形放大5倍（5倍是为了更好的演示功能，实际反变形应反向放大1倍左右）。

反变形补偿是一种用于抑制变形的好方法，我们从几何输入端进行修正，使用反变形补偿的方式将未来可能的变形进行反向补偿，二者叠加后将得到高精度打印结果。其计算的机理是通过仿真所得的变形结果与原始CAD数模进行比对，然后将差异反向作用在原始CAD模型上，看似得到了一个“错误”的几何模型，但用它进行实际打印，将得到精度非常高的实体零部件。

通过进行反变形补偿，将得到的CAD数模进行正向仿真分析。依据补偿后的数模进行网格的创建与路径的微调，其他打印参数将与原始模型保持一致。经调整，原始17.4m的总路径长度变成了17.8m。仿真结果如下图所示，反变形补偿后，零部件的变形得到了有效抑制。

将原始结果的6个变形位置进行从新提取分析可得，点位2到6的变形量仅在负的0.05mm到0.02mm之间。点位1处的变形量最大，约为0.15mm，但原始变形量0.43mm相对比，已经衰减了约65%。补偿前后的变形对比如下表所示。

DED沉积过程中，零部件的变形不可避免，通过上述介绍我们可以了解到，Simufact Welding软件能够对打印过程中的变形等问题进行预测分析，但对于该类型的仿真分析——基于热机耦合的瞬态仿真，往往需要耗费大量的建模时间与计算时间。Simufact Welding通过一系列的集成化操作功能，能够极大的缩减客户大型模型的搭建时间，而在计算效率方面，最新版的Simufact Welding引入了“ATC”高级热循环方法，能够在保证计算精度的同时，极大的提高仿真效率。

Simufact Welding能够精确的仿真DED工艺的实际打印过程，能够对增材零部件变形问题起到预测作用。软件所具备的诸多专业模型搭建功能，以及新加入的ATC加速算法，都极大提升了使用者的仿真速度。因此，想要对DED金属定向能量沉积这种工艺的实际物理过程与结果进行仿真分析，Simufact Welding软件将是非常不错的选择。