仿真 App 预测火箭发动机增材制造工艺

工业技术研究院的工程师使用 COMSOL Multiphysics® 软件对激光粉末床熔融增材制造工艺进行评估和预测,为台湾晋升太空科技公司固液火箭发动机喷射器的增材制造节约了时间和成本。


作者 Brianne Christopher
2020 年 10 月

台湾工业技术研究院(以下简称工研院 )是一家应用研究机构,为台湾晋升太空科技公司提供增材制造(也称 3D 打印)服务,包括原始设计加工、设计优化,以及仿真分析等。TiSPACE 主营开发轻型运载火箭,并提供商业火箭发射服务。工研院固液火箭发动机中的燃料喷射器组件使用 3D 打印工艺制成:首先,用激光将第一层粉末熔化并融合到底板上,再使用涂覆机将第二层粉末均匀散布在第一层上;然后,再次用激光将粉末熔化并融合……,此过程不断重复并顺利进行。突然,涂覆机 发生了堵塞,整个加工过程被迫终止。这是由于激光产生的热量在材料中引起的温度梯度使涂层变形,最终导致涂覆机堵塞。

检修故障后,工程师再次尝试加工。这次制造虽然完成了,但喷射器却发生变形,再也无法使用。该小组继续第三次、第四次尝试……

经过多次尝试后,工程师最终意识到:他们需要对整个过程的参数进行优化才能确保打印成功,但是反复试验的方法会浪费大量的时间、精力和成本。

直观、经济的 3D 打印工艺

激光粉末床熔融是 3D 打印技术的一种,其原理是利用激光将粉末熔化并融合在底板上。激光粉末床熔融是一个广义的 术语,它描述了一大类工艺,包括选择性激光熔化、选择性激光烧结和直接金属激光烧结等工艺。在激光粉末床熔融工艺中,通常先将大约 30 ~ 50 μm 的薄层材料均匀散布在底板上,用作激光熔融模型的第一层,然后用辊子或涂覆机将第二层粉末散布在第一层上;依次重复,逐步散布更多的粉末并融合在一起,直到完整的零件或组件加工完成。(上述过程,也可以使用电子束代替激光在真空中进行加工。)

激光粉末床熔融有许多优点。例如,由于激光具有较高的分辨率,因此可以加工出形状更加复杂的零件;此外,在 3D 打印中未使用的粉末材料可以重新掺入机器中,用于加工其他产品,因此更加节省耗材。基于这些优点,激光粉末床熔融可用于诸多领域的加工制造,如航空航天、汽车、医疗等大型工业制造领域,以及牙科和珠宝制作等高级定制领域。

但是,激光粉末床熔融也面临着一系列挑战。一方面,该工艺使用激光对极小的区域进行加热,导致材料内产生较大的温度梯度。在加工零件时,温度梯度会引起材料层中产生残余的热应力从而导致材料变形。如果变形过大,可能会引起机器的涂覆机组件堵塞,导致整个制造过程终止。如果机器堵塞,就必须重新开始整个加工过程,这会造成加工时间和成本的增加。另一个风险是成品零件也可能产生变形,有时会超出用户可以接受的范围。

3D 打印火箭发动机组件

工研院致力于研究激光粉末床熔融工艺,用于平衡高精度产品的加工成本和加工速度。工研院激光和增材制造技术中心增材制造系统创新部的研究人员 WaiKwuen Choong、Tsung-Wen Tsai 以及经理 Steven Lin,通过仿真优化了 3D 打印制造 TiSPACE 固液火箭发动机喷射器组件(图 1)的激光粉末床熔融工艺。该喷射器由 TiSPACE 设计,可以提高固液发动机动力推进剂的混合效率,并经过了流体动力学的优化设计。工研院利用 3D 打印技术进一步改进了此设计,正如 Wai-Kwuen Choong 所说 :“固液火箭发动机复杂的内部流动通道及合并的组件特征,是激光粉末床熔融技术应用的典范 。”

图 1. 3D 打印喷射器组件

制造喷射器时,必须考虑与激光粉末床熔融工艺相关的挑战。在这种尺寸(一般约为 110 mm × 110 mm × 170 mm)的部件中,不可避免地会有残余的热应力,并最终在喷射器纵向上产生较大的形变。这种形变会导致涂覆机堵塞,使系统终止运行。工研院和 TiSPACE 可以通过优化激光粉末床熔融工艺来避免组件变形,减少因停止加工而浪费的时间和成本。

力学仿真预测 3D 打印结果

预测激光粉末床熔融工艺制造结果的传统方法是使用简化的经验法则和试错法。例如,45° 规则就是 3D 打印领域中一 种简单且通用的规则,它要求设计应避免包含大于 45° 的悬垂角,否则达不到 3D 打印的理想效果。这是因为与底部的层相比,新打印的层将突出太多,并且新层没有足够的结构支撑。该规则不能解决像 3D 打印喷射器那样复杂的设计,而反复试验又会使得项目的制造时间和成本消耗过快。因此,工研院的研究人员选择了一种替代方案——借助仿真的方法预测制造零件的残余应力和形变(图 2)。为了实现这个目标,他们求助于 COMSOL Multiphysics® 仿真软件。

The top view of a 3D printed injector simulation showing residual stress and deformation in a rainbow color table. Top view
The side view of a 3D printed injector simulation showing residual stress and deformation in a rainbow color table. Side view
图2. 3D 打印喷射器的激光粉末床熔融制造过程仿真

为了预测热梯度如何在喷射器设计中引起应力和形变,团队在初步模拟中采用了固有应变法。这种方法最初是用于快速预测焊接问题中的残余应力和形变,现在也越来越多地用于解决金属 3D 打印问题。

团队使用 COMSOL® 软件结构力学模块中的固体力学接口进行热力学分析,用于评估制造零件中的残余应力和形变。 COMSOL® 软件中的活化功能专用于 3D 打印,可以高效地模拟重复过程,包括激光粉末床熔融工艺中层与层之间的叠加和融合。此外,他们还使用优化模块在构建过程中优化了零件的方向和支撑结构。

使用仿真 App 优化制造工艺

借助多物理场仿真方法,工研院的团队成功预测了激光粉末床熔融工艺中的应力和形变结果。但是部署激光粉末床熔融 工艺的 3D 打印系统工程师通常并不熟悉仿真,而聘请仿真专家又会增加项目时间和成本。这该怎么解决?

基于激光粉末床熔融模型,团队开发了一个具有直观用户界面和专用输入和输出的仿真 App(图 3),并将其命名为 ITRI AMSIM 仿真 App。他们使用 COMSOL 多物理场仿真软件内置的 App 开发器根据已有的模型开发了仿真 App,帮助系统工程师预测和评估优化制造过程中的构建特征,包括 STL 文件的输入,弹性或弹塑性模型(非线性结构材料模块随附),以及选择启用或禁用切割过程模拟或基板移除。该仿真 App 还内置了 5 种不同的粉末材料,包括 Ti 6Al-4V,一种钛合金 ;MP1,一种 CoCrMo 合金;PH1和316L,不锈钢;AlSi10Mg,一种铝合金。仿真 App 将输出系统工程师最想查看的结果,例如构建阶段和切割后的位移和残余应力分布。

图3. ITRI AMSim 仿真 App 界面。

该仿真 App 的输入基于实验校准,工研院的研究团队通过不同的扫描策略进行实验,测试不同的粉末材料和激光参数(例如激光功率、光束大小、扫描速度和图案填充大小等),用于提取正确的随之变化的特征应变矢量或矢量分量。

团队已经使用 COMSOL Server™​ 将上述仿真 App 编译为可独立执行的程序。编译之后的 App 被分发给系统工程师,可以在没有安装 COMSOL Multiphysics® 软件或 COMSOL Server™​ 许可证的环境下运行。实际上,工研院的研究人员还拟定了运行该仿真 App 的许可协议,可以为其目标用户提供三个月的试用。

当被问及在工研院和 TiSPACE 的联合项目中使 用仿真 App 带来的好处时,Choong 对其节约时间和成本的优势表示认同,并认为它具有“成本优势”。

使用仿真 App 节约时间和成本

在开发和部署 AMSIM 仿真 App 之前,TiSPACE 已经尝试制造 3D 打印喷射器,并做过四次试错实验,每次都以失败告终,要么是涂覆机堵塞,要么是零件本身破裂。引入 AMSIM 仿真 App 之后,花费在测试过程的总时间减少了 3/4。而且,通过使用仿真 App,团队能够预测组件的高风险区域并为设计增加更多支撑结构,从而成功地构建组件。原来从 3D 打印流程开始到测试完成获得零件大约需要一周时间,而在使用仿真 App 后则仅需不到一个小时。

与反复实验所需的人工、机器和材料相比,仿真 App 明显节约了成本( 超过 80%)。

最后,与传统的制造过程相比,引入仿真之后完成 3D 打印喷射器增材工艺所需的时间缩短了 100 倍。

未来计划

经历过三次迭代后,该仿真 App 已具有校准材料以及检测涂覆机干扰、模拟支撑结构等功能。工研院的研究团队计划继续改进 AMSIM 仿真 App。他们希望为此仿真 App 添加更多高级易用的功能,以进一步减少现有仿真分析的时间和成本,并通过缩短学习曲线,为 3D 打印行业的初级用户提供更多的回报。

通过使用 AMSIM 仿真 App,工研院可以提供更加逼真的 3D 打印过程预览和零故障生产服务。