NRC測試新型金屬3D打印多尺度數(shù)值模擬方法，可提前預(yù)測成形缺陷

導(dǎo)讀：隨著工業(yè) 4.0（第四次工業(yè)革命）利用先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)重塑制造業(yè)，設(shè)計和制造金屬汽車零部件的新方法也不斷涌現(xiàn)。然而，采用這些現(xiàn)代化工藝也面臨諸多挑戰(zhàn)：零件質(zhì)量不穩(wěn)定、打印失敗造成的材料浪費(fèi)，以及高昂的機(jī)器維護(hù)和后處理成本。

2025年8月5日，南極熊獲悉，加拿大國家研究委員會 (NRC)汽車和地面交通研究中心的研究人員正在使用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)來提前發(fā)現(xiàn)增材制造（AM）過程中潛在的制造問題，以便于在零件生產(chǎn)開始之前制定解決方案。

△使用LPBF工藝制造的Inconel 718測試樣品。打印過程中的翹曲和分層導(dǎo)致部件翹起并從打印平臺上脫落，最終導(dǎo)致打印失�。ㄆ鹇N問題已通過調(diào)整工藝參數(shù)得到解決）

更快地設(shè)計更好的零件

每年，汽車、火車、飛機(jī)和輪船都會生產(chǎn)數(shù)百萬個金屬零件。每個零件在投入生產(chǎn)之前，都要經(jīng)歷漫長而昂貴的研發(fā)、設(shè)計、原型制作和測試過程——所有這些都面臨著以更快的速度、更低的成本交付更高質(zhì)量產(chǎn)品的壓力

增材制造能夠制造出堅固、輕量化且具有復(fù)雜幾何形狀的零件，而這是傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的。雖然增材制造具有降低成本和減少環(huán)境影響的潛力，但廣泛應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是需要消除反復(fù)試驗(yàn)，按需或大規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)高效的零件，并縮短上市時間。數(shù)值模擬使制造商能夠虛擬測試設(shè)計和工藝流程，從而應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

△使用零件比例模型對帶支撐結(jié)構(gòu)的雙懸臂進(jìn)行模擬的結(jié)果�？梢暬�結(jié)果顯示了打印過程引起的變形（頂部），以及移除支撐結(jié)構(gòu)后的形狀（中間和底部）。

NRC 的建模與仿真研究團(tuán)隊在工業(yè)流程建模、仿真和優(yōu)化領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。近期，研究團(tuán)隊致力于解決激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，LPBF是最廣泛使用的金屬3D打印方法之一。

在LPBF工藝中，激光束會熔化平臺上一層薄薄的金屬粉末。這一過程逐層重復(fù)，將材料熔合在一起，直至最終部件成型。盡管LPBF工藝功能強(qiáng)大，但其推廣應(yīng)用仍面臨諸多障礙，尤其是在制造過程中容易出現(xiàn)缺陷，以及難以滿足設(shè)計規(guī)范和公差要求。

Yohann Vautrin 博士說道：“為了解決這些問題，我們開發(fā)了一種快速準(zhǔn)確的 LPBF 數(shù)值模擬方法，可以預(yù)測可能出現(xiàn)缺陷的位置。我們先進(jìn)的仿真軟件可以預(yù)測金屬部件在打印過程中和打印后的性能。這使得公司能夠在生產(chǎn)前調(diào)整設(shè)計或打印參數(shù)，從而節(jié)省時間和資源。METALTec工業(yè)研發(fā)團(tuán)隊的 NRC 合作伙伴可以獲得機(jī)密的研發(fā)成果和定制的研究支持。“

△YohannVautrin 博士展示采用 LPBF 工藝制造的部件。LPBF的數(shù)值模擬結(jié)果顯示在電腦顯示器上。

通過模擬，公司可以調(diào)整設(shè)計或調(diào)整打印參數(shù)，而無需進(jìn)行任何打印。這可以節(jié)省大量的時間、材料和金錢。Yohann補(bǔ)充道：“我們希望這將加速金屬增材制造在加拿大的應(yīng)用。”他還強(qiáng)調(diào)，通過NRC的METALTec工業(yè)研發(fā)團(tuán)隊與合作公司不僅可以獲得機(jī)密的研發(fā)成果，還可以與研究團(tuán)隊聯(lián)系，后者可以根據(jù)客戶要求開展具體的研究。

本項目由蒙特利爾理工學(xué)院、康考迪亞大學(xué)和麥吉爾大學(xué)合作開發(fā)，融合了跨時間和長度尺度的專業(yè)知識。多尺度方法通過策略性地犧牲精度以換取速度，使LPBF工藝的全部件模擬能夠在幾分鐘內(nèi)完成，而無需耗費(fèi)幾天或幾周的時間。該方法首先構(gòu)建一個微尺度模型（約100微米），能夠提供高精度的物理表征，但需要大量的計算資源。然后，構(gòu)建一個中尺度模型（約1毫米），利用這些數(shù)據(jù)以簡化的方式模擬激光在粉末中的移動。最后，構(gòu)建一個部件尺度模型，結(jié)合這些信息，快速模擬整個工業(yè)部件的打印過程。

研究團(tuán)隊從零開始，證明了這種多尺度方法可以解決現(xiàn)實(shí)世界的制造問題。雖然還需要進(jìn)一步研究才能將其轉(zhuǎn)化為可立即使用的工具，但目前的結(jié)果令人鼓舞。

未來，這種方法可以帶來更智能的功能，如自動設(shè)計優(yōu)化、近凈成形打印的幾何補(bǔ)償以及與數(shù)字孿生和實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的集成——所有這些都將使金屬 3D 打印更加可靠和高效。

△由Kalonji Kabanemi 博士、Yohann Vautrin 博士和 Jean-Philippe Marcotte 組成的 NRC 項目團(tuán)隊在魁北克省布謝維爾的辦公室討論另一個項目的模擬結(jié)果。

本項目獲得了 METALTec 成員機(jī)構(gòu)、CRITM 和 NRC 先進(jìn)制造集群支持計劃的 114 萬美元資助，并培訓(xùn)了八名以上高素質(zhì)人員。隨著 NRC 不斷改進(jìn)仿真工具并與產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界開展合作，項目支持金屬增材制造技術(shù)在加拿大的應(yīng)用，助力通過創(chuàng)新塑造交通運(yùn)輸?shù)奈磥怼?/div>