SLM選區熔化金屬3D打印機型，整機結構比較復雜，一般由成型框架、成型腔、振鏡系統、送粉機構、鋪粉機構、控制系統等部分組成。在設備開發設計階段，需要進行一系列的仿真分析校核，包括剛度、強度、散熱以及流體等內容。

圖片：選區熔化金屬3D打印過程

本期，仿真專家通過對SLM選區熔化金屬3D打印機型應力較大部位進行子模型分析，從而確定在極限工況下設備運行的穩定性與可靠性。通過利用子模型分析方法，對某型號的SLM選區熔化金屬3D打印機在極限工況下的靜強度仿真應力較大的區域，選取一個典型部位進行子模型分析，從而更準確的計算這該部位的應力分布情況。

子模型分析方法

針對機構的剛度強度等仿真分析，除了要滿足常規的工作狀態下要求外，還需要進行一些極限工況下的校核仿真分析。比如在極限運輸工況下，可能會發生極限傾斜工況（傾斜30°工況），在對整機在極限工況下的靜強度進行仿真分析，可能會出現一些部件超過了材料的屈服強度。針對這些超過了材料屈服強度的部件來說，其最大應力有可能并不真實，因為在整機極限工況強度校核分析時大多都是采用了線性靜力分析，沒有考慮材料的塑性增強階段。

確定子模型幾何結構

某型號的SLM選區熔化金屬3D打印機的整機幾何結構及截取的局部子模型結構，可參見圖1所示。

圖1：SLM選區熔化金屬3D打印機的整機結構和子模型局部結構，來源安世亞太

在整機極限工況下進行分析時，發現該處的局部應力較大，超過了材料的屈服強度。通過在整機模型中截取應力較大的局部結構，來進行子模型分析。

子模型的仿真模型建立

對SLM選區熔化金屬3D打印機選取的子模型進行網格劃分，相比于整機模型的單元大小要小，以3mm對子模型進行網格劃分，劃分后的模型見圖2所示。

圖2：SLM選區熔化金屬3D打印平臺密封結構及密封圈局部網格模型，來源安世亞太

在對子模型分析中，考慮了材料的塑性增強，涉及到的材料只有304不銹鋼，其材料的應力應變曲線見圖3所示。

圖3：不銹鋼的應力應變曲線，來源安世亞太

邊界條件：通過截面插值獲取截面處節點上的位移。圖4所示的是SLM選區熔化金屬3D打印設備整機模型在極限工況下的位移邊界條件。

圖4：子模型在整機中截斷面處位移邊界條件，來源安世亞太

計算結果及分析

打印室立柱和支撐板焊接位置（右前處）在整機分析中的最大應力為269MPa，超過了材料的屈服強度206MPa，具體見圖5所示。

圖5：模型在整機中應力云圖，來源安世亞太

圖6：子模型中的應力云圖，來源安世亞太

在考慮了材料塑性增強的子模型分析中，該部位的最大應力降為247MPa，具體見圖6所示，但仍超過了材料的屈服強度，塑性變形區域主要集中在打印室立柱和支撐板焊接位置（右前處）焊縫的四個角點處，最大的塑性應變0.00156，具體見圖7所示。

圖7：子模型塑性應變云圖，來源安世亞太

結論