選擇性激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）作為金屬增材制造技術中備受關注的一類代表性技術，能夠制造出傳統加工方式難以實現的復雜結構的零件。其中一個經典的應用包括GE的渦輪螺旋槳發動機（ATP），基于3D打印技術特點，設計師將855個獨立部件減少到12個，結果，超過三分之一的引擎是由3D打印完成的。

      不過要生產出GE的發動機這樣的核心零部件，需要對加工的過程有著高人一籌的把控能力，這其中，仿真為SLM選區金屬熔化金屬3D打印的方案設計及工藝路線優化提供了方向，提高對裝置的設計優化能力及對工藝的控制能力。

       本期通過安世亞太的《仿真計算在SLM 3D打印機鋪粉裝置設計中的應用》一文來領略基于Ansys workbench軟件對SLM打印機鋪粉過程、鋪粉裝置與變形件發生碰磨的過程如何進行相應的力學分析，并針對不同形狀刮刀進行了對比，為鋪粉裝置的結構優化及選材提供一定的參考依據。

200SLM金屬打印機

      選擇性激光熔化過程中鋪粉環節對成型過程和最終的成型件質量有著重要的影響，鋪粉裝置的設計與優化，鋪粉過程的參數優化都需要進行大量的研究。采用傳統實驗的方法對這些過程進行研究需要花費大量的時間、人力和物力，且很難從微觀的尺度對這一過程進行詳細的描述。

而針對該過程建立相應的模型，采用有限單元法或離散單元法對鋪粉過程進行相應的仿真，并結合一定的實驗進行驗證可以從微觀尺度更好的理解這一過程，對鋪粉裝置和鋪粉工藝進行更好的優化。

SLM打印機鋪粉過程中
鋪粉裝置的受力及變形分析

    圖2為鋪粉裝置鋪粉過程的示意圖，本文假設金屬粉末為連續流體，鋪粉裝置中刮刀的受力面受到粉末流體的流體靜壓強(hydrostatic pressure)和鋪粉過程中粉末對刮刀鋪粉的阻力兩個力的作用；

圖2鋪粉裝置鋪粉過程示意圖

     SLM選區激光熔化金屬3D打印機在工作時鋪粉裝置循環往復在水平方向運動進行鋪粉，圖3分析了刮刀在不同的鋪粉速率、鋪粉層厚和不同粉末密度的情況下的受力及變形情況，該計算結果和相關數據變化趨勢可以為鋪粉裝置的選材，鋪粉工藝的改進提供參考依據。

圖3不同鋪粉速率、鋪粉層厚及粉末密度下鋪粉裝置的最大受力及變形情況

     圖4 對比了兩種不同形狀刮刀鋪粉過程中的受力及變形情況，可以看出1#刮刀與2#刮刀相比，刮刀的剛度好，鋪粉過程變形小，該過程的仿真分析為刮刀的優化設計方向提供參考。

圖4 兩種不同形狀刮刀鋪粉過程中的受力及變形情況對比（左圖為1#刮刀，右圖為2#刮刀）

鋪粉裝置（刮刀）與變形凸起
的打印件發生碰磨時的力學分析

    SLM選區激光熔化金屬3D打印的工藝是快速加熱熔化粉末并快速冷卻凝固的過程，打印件的制備過程中由于各部位不均勻受熱以及熱循環和相轉變過程中的膨脹和收縮會產生一定變形，打印件高度方向的變形量超過鋪粉層厚會在下一層鋪粉時與刮刀產生碰磨，以致損壞工件造成工件報廢，或損壞刮刀對后續的鋪粉產生影響。

       所以對刮刀在發生碰磨時的力學分析是必要的，以求能得到刮刀發生某變形量時，對應著會產生多大的力，為刮刀的改進設計作定性指導。

圖5和圖6展示了某一設計型號刮刀在與不同高度變形凸起的打印件發生碰磨時的變形及受力情況。

圖 5 刮刀刮過不同高度變形凸起打印件時的變形情況示意圖
（隨打印件凸起高度增加，刮刀變形逐漸增加）

圖6 刮刀刮過不同高度變形凸起打印件時的受力情況示意圖

SLM打印機不同形狀
刮刀極端工況時的力學分析

    評價不同形狀刮刀的優劣需要綜合計算和評估刮刀在正常鋪粉時和各種極端工況時的受力及變形情況，進而進一步對相應工況下的鋪粉效果和刮刀的壽命等進行評估，以更好地指導相應鋪粉裝置部件的優化方向。

      本節列舉了不同形狀刮刀（圖7）在與變形凸起的打印件發生碰磨時的受力及變形情況，該過程的受力和變形情況關系到刮刀的磨損壽命，鋪粉的均勻性等設計參數，因此我們針對這一相對極端工況的受力及變形情況進行了分析，可為刮刀的改進設計作定性指導。

圖7對比了四種不同設計形狀刮刀刮過相同高度凸起工件時的受力及變形情況，可以看出：

（1）刮刀碰到相同變形凸起的打印件的鋪粉過程中，無論X方向還是Y方向的受力，2#刮刀的受力最大，其次是1#刮刀，再次是3#刮刀，受力最小的是4#刮刀，刮過障礙物的過程中較小的受力使得刮刀磨損較少，延長使用壽命。

（2）鋪粉過程中4#刮刀的變形量最大（明顯大于前三種刮刀），其次是2#刮刀和1#刮刀，3#刮刀刮過障礙物時的變形量最小，較小的變形量可以保證刮刀碰到障礙物時對其他區域鋪粉過程的影響較小，保證整層鋪粉的均勻。

圖7 不同形狀受力及變形情況對比

總的來說，通過與物理實驗相結合，仿真計算在SLM選區激光熔化金屬 3D打印機鋪粉裝置的設計改進過程中有指導作用，它能夠使得設計人員更詳細的分析鋪粉裝置工作過程中的受力及變形情況，對比分析不同鋪粉裝置設計方案的優劣，為相應方案設計及工藝路線優化提供方向，縮短相應的研發流程。

謝琰軍

     材料物理與化學專業，博士學位，多年材料及增材制造領域研發經驗，參與并實施多項金屬增材制造科研課題及相關技術開發工作；目前主要從事增材制造設備及工藝相關的仿真及咨詢工作。