仿真 App 預測火箭發動機增材制造工藝

工業技術研究院的工程師使用 COMSOL Multiphysics? 軟件對激光粉末床熔融增材制造工藝進行評估和預測,為臺灣晉升太空科技公司固液火箭發動機噴射器的增材制造節約了時間和成本。


作者 Brianne Christopher
2020 年 10 月

臺灣工業技術研究院(以下簡稱工研院 )是一家應用研究機構,為臺灣晉升太空科技公司提供增材制造(也稱 3D 打?。┓?,包括原始設計加工、設計優化,以及仿真分析等。TiSPACE 主營開發輕型運載火箭,并提供商業火箭發射服務。工研院固液火箭發動機中的燃料噴射器組件使用 3D 打印工藝制成:首先,用激光將第一層粉末熔化并融合到底板上,再使用涂覆機將第二層粉末均勻散布在第一層上;然后,再次用激光將粉末熔化并融合……,此過程不斷重復并順利進行。突然,涂覆機 發生了堵塞,整個加工過程被迫終止。這是由于激光產生的熱量在材料中引起的溫度梯度使涂層變形,最終導致涂覆機堵塞。

檢修故障后,工程師再次嘗試加工。這次制造雖然完成了,但噴射器卻發生變形,再也無法使用。該小組繼續第三次、第四次嘗試……

經過多次嘗試后,工程師最終意識到:他們需要對整個過程的參數進行優化才能確保打印成功,但是反復試驗的方法會浪費大量的時間、精力和成本。

直觀、經濟的 3D 打印工藝

激光粉末床熔融是 3D 打印技術的一種,其原理是利用激光將粉末熔化并融合在底板上。激光粉末床熔融是一個廣義的 術語,它描述了一大類工藝,包括選擇性激光熔化、選擇性激光燒結和直接金屬激光燒結等工藝。在激光粉末床熔融工藝中,通常先將大約 30 ~ 50 μm 的薄層材料均勻散布在底板上,用作激光熔融模型的第一層,然后用輥子或涂覆機將第二層粉末散布在第一層上;依次重復,逐步散布更多的粉末并融合在一起,直到完整的零件或組件加工完成。(上述過程,也可以使用電子束代替激光在真空中進行加工。)

激光粉末床熔融有許多優點。例如,由于激光具有較高的分辨率,因此可以加工出形狀更加復雜的零件;此外,在 3D 打印中未使用的粉末材料可以重新摻入機器中,用于加工其他產品,因此更加節省耗材?;谶@些優點,激光粉末床熔融可用于諸多領域的加工制造,如航空航天、汽車、醫療等大型工業制造領域,以及牙科和珠寶制作等高級定制領域。

但是,激光粉末床熔融也面臨著一系列挑戰。一方面,該工藝使用激光對極小的區域進行加熱,導致材料內產生較大的溫度梯度。在加工零件時,溫度梯度會引起材料層中產生殘余的熱應力從而導致材料變形。如果變形過大,可能會引起機器的涂覆機組件堵塞,導致整個制造過程終止。如果機器堵塞,就必須重新開始整個加工過程,這會造成加工時間和成本的增加。另一個風險是成品零件也可能產生變形,有時會超出用戶可以接受的范圍。

3D 打印火箭發動機組件

工研院致力于研究激光粉末床熔融工藝,用于平衡高精度產品的加工成本和加工速度。工研院激光和增材制造技術中心增材制造系統創新部的研究人員 WaiKwuen Choong、Tsung-Wen Tsai 以及經理 Steven Lin,通過仿真優化了 3D 打印制造 TiSPACE 固液火箭發動機噴射器組件(圖 1)的激光粉末床熔融工藝。該噴射器由 TiSPACE 設計,可以提高固液發動機動力推進劑的混合效率,并經過了流體動力學的優化設計。工研院利用 3D 打印技術進一步改進了此設計,正如 Wai-Kwuen Choong 所說 :“固液火箭發動機復雜的內部流動通道及合并的組件特征,是激光粉末床熔融技術應用的典范 ?!?/p>

圖 1. 3D 打印噴射器組件

制造噴射器時,必須考慮與激光粉末床熔融工藝相關的挑戰。在這種尺寸(一般約為 110 mm × 110 mm × 170 mm)的部件中,不可避免地會有殘余的熱應力,并最終在噴射器縱向上產生較大的形變。這種形變會導致涂覆機堵塞,使系統終止運行。工研院和 TiSPACE 可以通過優化激光粉末床熔融工藝來避免組件變形,減少因停止加工而浪費的時間和成本。

力學仿真預測 3D 打印結果

預測激光粉末床熔融工藝制造結果的傳統方法是使用簡化的經驗法則和試錯法。例如,45° 規則就是 3D 打印領域中一 種簡單且通用的規則,它要求設計應避免包含大于 45° 的懸垂角,否則達不到 3D 打印的理想效果。這是因為與底部的層相比,新打印的層將突出太多,并且新層沒有足夠的結構支撐。該規則不能解決像 3D 打印噴射器那樣復雜的設計,而反復試驗又會使得項目的制造時間和成本消耗過快。因此,工研院的研究人員選擇了一種替代方案——借助仿真的方法預測制造零件的殘余應力和形變(圖 2)。為了實現這個目標,他們求助于 COMSOL Multiphysics® 仿真軟件。

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
圖2. 3D 打印噴射器的激光粉末床熔融制造過程仿真

為了預測熱梯度如何在噴射器設計中引起應力和形變,團隊在初步模擬中采用了固有應變法。這種方法最初是用于快速預測焊接問題中的殘余應力和形變,現在也越來越多地用于解決金屬 3D 打印問題。

團隊使用 COMSOL® 軟件結構力學模塊中的固體力學接口進行熱力學分析,用于評估制造零件中的殘余應力和形變。 COMSOL® 軟件中的活化功能專用于 3D 打印,可以高效地模擬重復過程,包括激光粉末床熔融工藝中層與層之間的疊加和融合。此外,他們還使用優化模塊在構建過程中優化了零件的方向和支撐結構。

使用仿真 App 優化制造工藝

借助多物理場仿真方法,工研院的團隊成功預測了激光粉末床熔融工藝中的應力和形變結果。但是部署激光粉末床熔融 工藝的 3D 打印系統工程師通常并不熟悉仿真,而聘請仿真專家又會增加項目時間和成本。這該怎么解決?

基于激光粉末床熔融模型,團隊開發了一個具有直觀用戶界面和專用輸入和輸出的仿真 App(圖 3),并將其命名為 ITRI AMSIM 仿真 App。他們使用 COMSOL 多物理場仿真軟件內置的 App 開發器根據已有的模型開發了仿真 App,幫助系統工程師預測和評估優化制造過程中的構建特征,包括 STL 文件的輸入,彈性或彈塑性模型(非線性結構材料模塊隨附),以及選擇啟用或禁用切割過程模擬或基板移除。該仿真 App 還內置了 5 種不同的粉末材料,包括 Ti 6Al-4V,一種鈦合金 ;MP1,一種 CoCrMo 合金;PH1和316L,不銹鋼;AlSi10Mg,一種鋁合金。仿真 App 將輸出系統工程師最想查看的結果,例如構建階段和切割后的位移和殘余應力分布。

圖3. ITRI AMSim 仿真 App 界面。

該仿真 App 的輸入基于實驗校準,工研院的研究團隊通過不同的掃描策略進行實驗,測試不同的粉末材料和激光參數(例如激光功率、光束大小、掃描速度和圖案填充大小等),用于提取正確的隨之變化的特征應變矢量或矢量分量。

團隊已經使用 COMSOL Server™? 將上述仿真 App 編譯為可獨立執行的程序。編譯之后的 App 被分發給系統工程師,可以在沒有安裝 COMSOL Multiphysics® 軟件或 COMSOL Server™? 許可證的環境下運行。實際上,工研院的研究人員還擬定了運行該仿真 App 的許可協議,可以為其目標用戶提供三個月的試用。

當被問及在工研院和 TiSPACE 的聯合項目中使 用仿真 App 帶來的好處時,Choong 對其節約時間和成本的優勢表示認同,并認為它具有“成本優勢”。

使用仿真 App 節約時間和成本

在開發和部署 AMSIM 仿真 App 之前,TiSPACE 已經嘗試制造 3D 打印噴射器,并做過四次試錯實驗,每次都以失敗告終,要么是涂覆機堵塞,要么是零件本身破裂。引入 AMSIM 仿真 App 之后,花費在測試過程的總時間減少了 3/4。而且,通過使用仿真 App,團隊能夠預測組件的高風險區域并為設計增加更多支撐結構,從而成功地構建組件。原來從 3D 打印流程開始到測試完成獲得零件大約需要一周時間,而在使用仿真 App 后則僅需不到一個小時。

與反復實驗所需的人工、機器和材料相比,仿真 App 明顯節約了成本( 超過 80%)。

最后,與傳統的制造過程相比,引入仿真之后完成 3D 打印噴射器增材工藝所需的時間縮短了 100 倍。

未來計劃

經歷過三次迭代后,該仿真 App 已具有校準材料以及檢測涂覆機干擾、模擬支撐結構等功能。工研院的研究團隊計劃繼續改進 AMSIM 仿真 App。他們希望為此仿真 App 添加更多高級易用的功能,以進一步減少現有仿真分析的時間和成本,并通過縮短學習曲線,為 3D 打印行業的初級用戶提供更多的回報。

通過使用 AMSIM 仿真 App,工研院可以提供更加逼真的 3D 打印過程預覽和零故障生產服務。