基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸分析

來源：Ansys中國

眾所周知，針對新材料或自研材料的工藝調試往往需要大量的試驗。為了取得最佳的工藝參數(shù)，不同的掃描策略需要逐個測試，整個過程需要耗費大量的人力物力。針對增材制造工藝優(yōu)化而推出的Ansys Additive Science模塊，在最新版本Ansys 2020 R2再次升級為用戶帶來新材料開發(fā)的功能，旨在幫助用戶通過少量試驗數(shù)據(jù)并借助仿真快速得到最佳工藝參數(shù)，并優(yōu)化過程仿真結果。

Ansys Additive Science增材工藝仿真分析模塊，提供了熔池尺寸分析、成形材料孔隙率預測、微觀組織預測及零件尺度的溫度歷史預測等功能，是目前市場唯一的可以進行微觀尺度成形材料分析的增材工藝仿真工具，是企業(yè)、科研院所進行金屬增材制造工藝參數(shù)優(yōu)化、組織性能仿真預測、成形零件質量預測的專業(yè)工具。最新的Ansys 2020 R2版本中，新增可對自定義材料進行參數(shù)調試的功能，大大拓展了模塊可分析材料范圍。本文將展示自定義材料參數(shù)調試流程，并對參數(shù)調試后的自定義材料進行熔池尺寸計算結果實驗驗證，結果表明，自定義常規(guī)材料經(jīng)過參數(shù)調試后，熔池尺寸計算結果與實驗結果趨勢上一致，數(shù)值偏差在10%之內。

自定義材料參數(shù)調試流程
Ansys Additive Science金屬增材工藝仿真模塊，在進行熔池尺寸分析、孔隙率預測、溫度歷史預測等計算時，激光吸收系數(shù)與能量穿透深度決定了計算結果的精度，由于不同材料、不同粉末粒徑分布的激光吸收系數(shù)及能量穿透深度均不同，因此想要得到精度更高的計算結果，需要對材料的激光吸收系數(shù)及能量穿透深度進行基于實驗結果的參數(shù)調試，下圖為Ansys Additive Science自定義材料參數(shù)調試的基本流程。

△圖1 自定義材料參數(shù)調試流程

第一步：用戶需按格式要求提前準備好如下文件：

1）熔池實驗測量結果文件，按要求進行不同激光功率、掃描速度組合下的成形實驗，完成后測量熔池寬度和深度；

2）計算輸入的初始材料參數(shù)文件，包含初始的吸收系數(shù)因子、穿透深度因子等；

3）材料隨溫度變化的熱物性參數(shù)文件，包括熱傳導系數(shù)、比熱容、密度等；

第二步：導入材料調優(yōu)器進行計算，并得到熔池特征寬度文件和用于計算吸收系數(shù)和穿透深度的調優(yōu)數(shù)據(jù)文件；

第三步：基于調優(yōu)數(shù)據(jù)文件，線性擬合，得到新的激光吸收系數(shù)因子及穿透系數(shù)因子；

第四步：形成自定義材料需要輸入的材料參數(shù)計算輸入文件、材料屬性參數(shù)文件、熔池特征寬度文件，并上傳到軟件材料庫中，完成自定義材料輸入。

基于自定義材料參數(shù)調試的熔池尺寸計算

基于自定義材料參數(shù)調試的流程，對某材料進行了自定義輸入，進行了材料熔池尺寸計算，并與實驗結果進行對比，具體如下：

1）自定義某材料

△圖2 自定義材料輸入

2）熔池尺寸計算

基于激光功率、掃描速率、層厚等工藝參數(shù)輸入，進行單道掃描熔池尺寸計算，下表中為H13仿真時輸入的工藝參數(shù)。

3）仿真與實驗測量結果對比

將仿真計算結果（不含調試時已使用的數(shù)據(jù)）與實驗熔池尺寸測量結果進行對比，仿真與實驗測量在趨勢一致，數(shù)值偏差在10%之內。H13材料預熱600℃的仿真結果如下圖所示。

此外，針對400℃的預熱情況也進行了仿真結果對比，數(shù)值偏差也在10%之內。針對高溫材料，目前自定義材料參數(shù)調試功能也能較好地支持，針對某高溫材料，仿真偏差可控制在15%之內。

Ansys Additive Science 2020 R2版本新增的自定義材料參數(shù)調試功能，在保證計算準確性的基礎上大大拓展了可分析材料范圍，可以為更多客戶提供熔池尺度的增材工藝仿真優(yōu)化。