大多数增材制造（AM）过程涉及使用热能将原料熔化成3D打印部件，逐层堆叠。虽然这种方法比传统的铸造、成型或机械加工等工艺允许更复杂的内部几何形状，但它也可能导致3D打印部件中的异向性材料属性和残余应力，这可能导致材料中的定向凝固或晶粒生长，特别是在金属AM过程中。
增材制造的热模拟涉及什么？
虽然相关的工艺变量显然取决于正在模拟的特定增材制造过程，例如在激光粉末床熔化（L-PBF）的背景下，这些包括：
- 激光功率
- 激光光斑直径
- 激光偏移
- 扫描头速度
- 层厚
在这种情况下，部件的温度历史影响熔池尺寸、缺陷形成、凝固条件、重熔周期和残余应力。使AM模拟更具挑战性的是，它需要分析在亚纳秒时间尺度上的温度变化，这比整个构建持续时间短几个数量级。因此，L-PBF构建的热模拟可能需要数小时甚至数天才能完成。
材料如何影响AM的热模拟？
除了特定的增材制造过程，正在3D打印的材料将对AM的热模拟产生最大影响。
对于在L-PBF或直接能量沉积（DED）中使用的金属，它们的高热导率允许快速散热，这可能导致部件上的温度梯度，并导致可能导致翘曲或变形的残余应力。金属在冷却过程中还会经历固态相变，例如不锈钢中的马氏体转变。除了这些一般考虑之外，还有针对金属AM的合金特定考虑：例如，钛合金非常活跃且容易氧化，因此需要控制气氛，而铝更易发生凝固裂纹。
相比之下，用于熔融沉积建模（FDM）或选择性激光烧结（SLS）的聚合物表现出低热导率，导致冷却速率慢，更易产生残余热应力或翘曲。这在半结晶聚合物中尤其成问题，如尼龙，其中较慢的冷却可能导致影响机械强度的晶体形成。聚合物材料也因过热而有热降解的风险，这可能导致脆性或放气。最后，涉及3D打印热固性材料（与热塑性材料相对）的模拟还必须考虑固化过程的影响。
如何进行3D打印的热模拟？
由于它们模拟的现象复杂性，热模拟通常使用数值方法——例如，使用有限元分析来分析金属沉积期间的热传递。
然而，许多3D打印过程的速度，加上空间和时间动态热机械现象的复杂性，使得AM的数值建模计算成本特别高，特别是当试图模拟部件的整个热历史时。因此，有限元分析（FEA）通常在制造过程中过于计算复杂和耗时，无法实际使用。降阶模型（ROMs）和结合有限元方法（FEM）与其他方法的混合技术正在出现以解决这一计算成本问题，但这技术也许仍处于相对早期的开发阶段。
最终，增材制造模拟可以被理解为时间和空间上的多尺度问题。从这个角度来看，工程师可以通过选择适当的时间增量和网格尺寸来控制模拟的尺度和解决方案保真度。
从光谱上考虑，具有小时间增量和精细网格的工艺级模拟具有高保真度，而具有平均时间序列事件和较粗网格的部件级模拟具有低保真度。在前一种情况下，模拟旨在捕捉活跃熔化或融合区域内部和附近的快速变化温度和高温梯度。在后者中，温度结果通常不包含准确的热历史，尽管热传递分析仍然可以捕捉远离活跃区域的变化，只要过程性加热和冷却的热能平衡已经被正确建模。
在AM过程中模拟热传输现象是复杂的，需要考虑移动热源、相变和各种质量和热传递现象。然而，当正确完成时，热模拟可以使设计和制造工程师进行设计更改，以确保更均匀的冷却，引入支撑以最小化变形或更改工艺参数以降低缺陷风险。
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来源：CFD饭圈
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