子模型法在SLM金属3

SLM选区熔化金属3D打印机型，整机结构比较复杂，一般由成型框架、成型腔、振镜系统、送粉机构、铺粉机构、控制系统等部分组成。在设备开发设计阶段，需要进行一系列的仿真分析校核，包括刚度、强度、散热以及流体等内容。

图片：选区熔化金属3D打印过程

本期，仿真专家通过对SLM选区熔化金属3D打印机型应力较大部位进行子模型分析，从而确定在极限工况下设备运行的稳定性与可靠性。通过利用子模型分析方法，对某型号的SLM选区熔化金属3D打印机在极限工况下的静强度仿真应力较大的区域，选取一个典型部位进行子模型分析，从而更准确的计算这该部位的应力分布情况。

子模型分析方法

针对机构的刚度强度等仿真分析，除了要满足常规的工作状态下要求外，还需要进行一些极限工况下的校核仿真分析。比如在极限运输工况下，可能会发生极限倾斜工况（倾斜30°工况），在对整机在极限工况下的静强度进行仿真分析，可能会出现一些部件超过了材料的屈服强度。针对这些超过了材料屈服强度的部件来说，其最大应力有可能并不真实，因为在整机极限工况强度校核分析时大多都是采用了线性静力分析，没有考虑材料的塑性增强阶段。

确定子模型几何结构

某型号的SLM选区熔化金属3D打印机的整机几何结构及截取的局部子模型结构，可参见图1所示。

图1：SLM选区熔化金属3D打印机的整机结构和子模型局部结构，来源安世亚太

在整机极限工况下进行分析时，发现该处的局部应力较大，超过了材料的屈服强度。通过在整机模型中截取应力较大的局部结构，来进行子模型分析。

子模型的仿真模型建立

对SLM选区熔化金属3D打印机选取的子模型进行网格划分，相比于整机模型的单元大小要小，以3mm对子模型进行网格划分，划分后的模型见图2所示。

图2：SLM选区熔化金属3D打印平台密封结构及密封圈局部网格模型，来源安世亚太

在对子模型分析中，考虑了材料的塑性增强，涉及到的材料只有304不锈钢，其材料的应力应变曲线见图3所示。

图3：不锈钢的应力应变曲线，来源安世亚太

边界条件：通过截面插值获取截面处节点上的位移。图4所示的是SLM选区熔化金属3D打印设备整机模型在极限工况下的位移边界条件。

图4：子模型在整机中截断面处位移边界条件，来源安世亚太

计算结果及分析

打印室立柱和支撑板焊接位置（右前处）在整机分析中的最大应力为269MPa，超过了材料的屈服强度206MPa，具体见图5所示。

图5：模型在整机中应力云图，来源安世亚太

图6：子模型中的应力云图，来源安世亚太

在考虑了材料塑性增强的子模型分析中，该部位的最大应力降为247MPa，具体见图6所示，但仍超过了材料的屈服强度，塑性变形区域主要集中在打印室立柱和支撑板焊接位置（右前处）焊缝的四个角点处，最大的塑性应变0.00156，具体见图7所示。

图7：子模型塑性应变云图，来源安世亚太

结论