案例分享 | 基于自定义材料参数调试的熔池尺寸分析

作者：全珏玲，郭鹏伟（PERA）

众所周知，针对新材料或自研材料的工艺调试往往需要大量的试验。为了取得最佳的工艺参数，不同的扫描策略需要逐个测试，整个过程需要耗费大量的人力物力。针对增材制造工艺优化而推出的Ansys Additive Science模块，在最新版本Ansys 2020 R2再次升级为用户带来新材料开发的功能，旨在帮助用户通过少量试验数据并借助仿真快速得到最佳工艺参数，并优化过程仿真结果。

Ansys Additive Science增材工艺仿真分析模块，提供了熔池尺寸分析、成形材料孔隙率预测、微观组织预测及零件尺度的温度历史预测等功能，是目前市场唯一的可以进行微观尺度成形材料分析的增材工艺仿真工具，是企业、科研院所进行金属增材制造工艺参数优化、组织性能仿真预测、成形零件质量预测的专业工具。最新的Ansys 2020 R2版本中，新增可对自定义材料进行参数调试的功能，大大拓展了模块可分析材料范围。本文将展示自定义材料参数调试流程，并对参数调试后的自定义材料进行熔池尺寸计算结果实验验证，结果表明，自定义常规材料经过参数调试后，熔池尺寸计算结果与实验结果趋势上一致，数值偏差在10%之内。

Ansys Additive Science金属增材工艺仿真模块，在进行熔池尺寸分析、孔隙率预测、温度历史预测等计算时，激光吸收系数与能量穿透深度决定了计算结果的精度，由于不同材料、不同粉末粒径分布的激光吸收系数及能量穿透深度均不同，因此想要得到精度更高的计算结果，需要对材料的激光吸收系数及能量穿透深度进行基于实验结果的参数调试，下图为Ansys Additive Science自定义材料参数调试的基本流程。

图1 自定义材料参数调试流程

第一步：用户需按格式要求提前准备好如下文件：

1）熔池实验测量结果文件，按要求进行不同激光功率、扫描速度组合下的成形实验，完成后测量熔池宽度和深度；

2）计算输入的初始材料参数文件，包含初始的吸收系数因子、穿透深度因子等；

3）材料随温度变化的热物性参数文件，包括热传导系数、比热容、密度等；

第二步：导入材料调优器进行计算，并得到熔池特征宽度文件和用于计算吸收系数和穿透深度的调优数据文件；

第三步：基于调优数据文件，线性拟合，得到新的激光吸收系数因子及穿透系数因子；

第四步：形成自定义材料需要输入的材料参数计算输入文件、材料属性参数文件、熔池特征宽度文件，并上传到软件材料库中，完成自定义材料输入。

基于自定义材料参数调试的流程，对某材料进行了自定义输入，进行了材料熔池尺寸计算，并与实验结果进行对比，具体如下：

1）自定义某材料

图2 自定义材料输入

2）熔池尺寸计算

基于激光功率、扫描速率、层厚等工艺参数输入，进行单道扫描熔池尺寸计算，下表中为H13仿真时输入的工艺参数。

3）仿真与实验测量结果对比

将仿真计算结果（不含调试时已使用的数据）与实验熔池尺寸测量结果进行对比，仿真与实验测量在趋势一致，数值偏差在10%之内。H13材料预热600℃的仿真结果如下图所示。

此外，针对400℃的预热情况也进行了仿真结果对比，数值偏差也在10%之内。针对高温材料，目前自定义材料参数调试功能也能较好地支持，针对某高温材料，仿真偏差可控制在15%之内。

Ansys Additive Science 2020 R2版本新增的自定义材料参数调试功能，在保证计算准确性的基础上大大拓展了可分析材料范围，可以为更多客户提供熔池尺度的增材工艺仿真优化。