增材制造结构优化设计与工艺仿真 课件 模块5 NX 激光粉末床熔融工艺

增材制造结构优化设计与工艺仿真新编21世纪高等职业教育精品教材·装备制造类PART01模块一NX结构优化设计基础PART02模块二NX拓扑优化结构设计工程案例PART03模块三NX点阵晶格结构优化设计工程案例PART04模块四NX运动仿真与优化设计工程案例PART05模块五NX激光粉末床熔融工艺仿真工程案例目录CONTENTSPART05模块五NX激光粉末床熔融工艺仿真工程案例任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真任务模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真学习目标（1）了解模具随形冷却型芯的作用及应用场景。（2）理解激光粉末床熔融工艺的基本概念。（3）掌握增材制造结构设计验证相关参数的含义。（4）掌握增材制造结构设计验证的方法。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真一、情境导入在注塑模具行业，金属3D打印技术可以有效缩短模具冷却时间，提高产品生产效率。某模具有限公司采用金属3D打印技术，将注塑产品冷却时间从25秒缩短至13秒，产品具有平滑的流道，流量更大，冷却效率更高。同样的产品，原来一年能生产30万件，现在一年能生产将近60万件。3D打印随形冷却模具镶件及用该模具制造的产品如图5-1-1所示。该模具有限公司现开发果冻壳模具的随形冷却型芯，型芯模型设计好以后，交由增材制造事业部进行工艺结构设计检查，根据增材制造工艺的适应性检查分析结果调整完善数字模型，并为后续增材工艺提供补偿参数。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真二、明确任务任务工单见表5-1-1。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真结合图5-1-2了解模具随形冷却型芯的模型结构。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真三、知识链接（一）传统模具制造的瓶颈冷却水路是在模架与模仁中，通过机械加工形成的贯穿性孔道。其核心功能是让水、油等介质在孔道内持续循环，以便控制模具温度，进而优化塑料产品在模具内的冷却速度与收缩状态，最终保证产品的尺寸精度和表面质量。在传统模具设计中，冷却水路的加工方式存在明显局限。水路网络需钻孔形成，再依靠内置止水栓与外置堵头调整水流方向，这使得水路只能是圆柱形直孔，无法围绕模具内腔灵活排布。面对形状复杂的注塑件时，传统直孔水路难以完全贴近产品表面，冷却效率低，冷却不均匀，导致注塑周期延长、产品变形量超标等问题。此外，传统模具制造流程烦琐且耗时。从图纸设计、工艺审查、可行性分析，到工艺设计、程序编写、精密加工，全流程涉及多环节人工操作与多类工具使用，整体生产周期较长。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真（二）3D打印技术在模具行业的应用重新定义了冷却水路3D打印技术的发展与应用，充分提高了模具制造效率与良品率。3D打印随形冷却通道可根据产品轮廓的变化而变化，到达模腔任何地方，模具内部将无任何冷却盲点；随形冷却通道更贴近产品内壁，冷却面积大，因此冷却效果更加均匀，效率也更高。传统模具冷却通道与3D打印随形冷却通道如图5-1-3所示。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真以图5-1-3所示制件为例，传统模具与新型3D打印模具的效果对比见表5-1-2。随形冷却通道主要利用SLM3D打印技术制造，优势在于：设计的无限性；较少的人工参与；优秀的成形质量；生产效率提高，将模具的三维模型输入打印机即可自行加工；可适应0.8～1.5MPa甚至更高压力的模温机，提升了最终产品质量。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真（三）型芯材料分析与认知按照材料种类划分，3D打印金属材料可分为铁基合金、钛及钛基合金、镍基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及贵金属等。本任务采用的3Cr2Mo为预硬化塑料模具钢，属于铁基合金，应用广泛，执行标准GB/T1299—2025。该模具钢经调质处理后可以进行机械加工，具有良好的可加工性和镜面研磨抛光性。机械加工成形后，型腔变形及尺寸变化小，经热处理后可提高表面硬度和模具使用寿命。（四）金属粉末评价指标金属粉末的评价指标主要涉及化学成分、粒度分布、粉末的球形度、流动性、松装密度。3D打印常用的金属粉末粒度指标范围为：细粉15～53μm，粗粉53～105μm。不同的打印工艺选择不同的粉末粒度，如SLM工艺常选用15～53μm的粉末、EBSM工艺常选用45～105μm的粉末、热喷涂工艺常选用15～45μm的粉末。粉末的粒度分布是指不同粒径的颗粒占全部粉末的含量。通常，粉末的粒度越小，驱动力越大，烧结越容易。粉末之间的孔隙率越小，烧结的致密化程度越高，打印出来的金属模型的表面质量和强度就会越高。如果金属粉末的颗粒过小，细粉过多，会导致铺粉厚度不均匀，出现“球化”现象，最终使模型无法成形。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真（五）NX增材制造的仿真验证功能仿真验证是产品设计制造的关键步骤。NX提供的增材制造仿真验证功能可帮助用户进行数据准备，确保设计零件的可打印性。（1）可以规定最小壁厚，确保零件的可打印性。（2）可以通过悬垂角度识别打印时需要支撑的零件区域。（3）可以识别全封闭体积，确保对这些区域进行高效的打印后处理。（4）能够快速计算零件模型是否与打印机可打印体积匹配。NX增材制造集成解决方案示意图如图5-1-4所示。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真（六）NX增材制造的工艺仿真功能1.打印任务的设置NX可以帮助工程师快速加载构建托盘配置并进行零件排样，定义必要的支撑结构，设置3D打印参数。2.零件排样在构建托盘上对多个零件进行优化排样可以显著提升增材制造的效率。可以用交互式装配工具快速定位金属零件并进行排样。将零件在构建托盘上合理布局可以减少支撑结构的使用，加快打印过程，提高零件质量。3.创建支撑结构在金属零件的粉末层熔融3D打印中，支撑结构的创建是关键且复杂的环节。NX可自动生成该工艺所需的先进支撑结构，并与设计模型保持深度关联。当设计方案变更时，支撑结构会同步自动更新，能够灵活调整支撑的几何图形。4.打印机的输出NX的构建处理器框架具备强大兼容性，可支持各类打印机输出需求。无论是塑料零件还是金属零件的粉末层熔融3D打印，该框架都能稳定驱动设备，确保打印流程顺畅。用户可以用预定义参数为选定的3D打印机、材料和打印方法创建正确的打印工艺。NX的构建处理器框架允许用户灵活微调打印参数，包括针对特定应用场景的激光功率与速度。在将数据发送至打印机前，可逐层预览实际激光路径，提前排查增材制造过程中的潜在问题，保障打印质量。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真（七）模型结构设计的增材工艺适应性验证有时，设计的模型结构与增材制造工艺不匹配，导致打印过程半途而废。因此，为了便于识别零件模型中存在的不便进行增材制造的几何结构，以及对打印过程进行分析和评估，NX提供了验证工具，位于“增材制造设计”模块的“验证”工具栏，如图5-1-5所示。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真四、计划决策（一）学习内容分析1.完成零件图纸分析（如图5-1-6）（1）整体分析。本产品为果冻壳模具的型芯，注塑生产过程中，为使柱形型芯冷却更为快速且均匀，将内部冷却通道设计为螺旋型。异形通道采用传统加工手段难度很大，采用增材制造方式则可以完美实现。型芯下部为圆形定位台阶，起固定作用，其轮廓需要进行数控车精加工。型芯底面设置进出水孔、推杆孔、固定螺纹孔，均需要精加工。最终型芯要与模具其他部分进行一体抛光处理。（2）尺寸分析。圆形定位台阶的尺寸由减材加工方式来保证，且形位公差（垂直度、平行度、平面度）要达到精度要求，因此打印时单边余量要留0.4mm以上。零件中心的推杆孔需进行铰削加工，因此打印时单边余量要留0.2mm。底面螺纹底孔D4.2由增材制造方式保证，再用丝锥攻螺纹。其他部分直接打印完成。（3）表面质量。经过去应力退火和减材加工后，对其他部位进行超声波抛光，然后与模具其余零件一起进行表面强化处理，再一体抛光。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真五、任务实施（一）设计方案任务实施过程导图如图5-1-7所示。（二）模型结构设计验证1.可打印空间体可使用“可打印空间体”工具检查零件是否能够在打印机设置的空间范围内安全打印；检查布局后的零件是否会触及任何打印边界。在打印机底盘上，零件通常有5个位置自由度，即“左、右、前、后、上”5个方向，每个方向均有距离公差。零件的着色方案与零件和打印机在自由度方向上的长度相关，具体见表5-1-4。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真五、任务实施（一）设计方案任务实施过程导图如图5-1-7所示。（二）模型结构设计验证1.可打印空间体可使用“可打印空间体”工具检查零件是否能够在打印机设置的空间范围内安全打印；检查布局后的零件是否会触及任何打印边界。在打印机底盘上，零件通常有5个位置自由度，即“左、右、前、后、上”5个方向，每个方向均有距离公差。零件的着色方案与零件和打印机在自由度方向上的长度相关，具体见表5-1-4。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真对模具型芯“可打印空间体”的检查步骤如下：（1）单击“可打印空间体”按钮，显示“检查可打印空间体”对话框，如图5-1-8所示。（2）单击“选择体”，在图形区选择“模具随形冷却型芯”文件。（3）单击“指定构建平面坐标系”，在图形区设置打印方向垂直于底面向上。（4）“打印机”选择定制打印机，“形状”选择“圆柱”，“高度”为60mm，“直径”为120mm。（5）“显示”选择“打印机”，“距离公差”为1mm。（6）勾选“预览”。（7）单击“指定构建平面坐标系”，移动光标至打印坐标系原点以捕获原点，按住鼠标左键拖动打印空间体，使零件完全包含在打印空间体内。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真2.延展角度考虑到重力影响，在打印水平方向悬垂的部分时，需要设置额外的结构去支撑，防止打印过程中发生形变或脱落。因此需要确定支撑结构的数量和位置。延展角度功能可以根据设定的参数确定需要添加支撑的区域，提示摆放角度是否合理。+Z轴方向与打印部件表面的夹角称为延展角度（也称悬垂角度），如图5-1-9所示。“延展角度”工具用于识别并显示模型中延展角度大于设置延展角度的区域，并计算该区域的面积。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真对模具型芯“延展角度”的检查步骤如下：（1）单击“延展角度”按钮，显示“检查最大延展角度”对话框。（2）单击“选择体”，在图形区选择“模具随形冷却型芯”文件。（3）单击“指定构建平面坐标系”，在下拉列表中选择“X、Y”轴，生成打印坐标系。（4）由于冷却水孔直径仅4mm，因此横向孔无须支撑，将“最大延展角度”定为89°，“延伸角度公差”为0，勾选“仅显示超过延展角度”。（5）勾选“预览”。（6）需要添加支撑的区域呈红色，需要支撑的面积为1807mm2，如图5-1-10所示。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真3.壁厚可打印的最小壁厚是有限制的，这与3D打印设备的功能和所用材料性能有关。“壁厚”工具用于识别并显示模型中小于设定壁厚的区域，用户可自行设置壁厚限制值。对模具型芯“壁厚”的检查步骤如下：（1）单击“壁厚”按钮，显示“检查最小壁厚”对话框。（2）单击“选择体”，在图形区选择“模具型芯实体”文件。（3）单击“指定构建平面坐标系”，设置打印坐标系。勾选“仅显示小于最小厚度”。（4）设置“最小厚度”为0.4mm。（5）勾选“预览”。（6）如果存在最小壁厚区域，则在图形区实体模型上以红色显示。本模型不存在最小壁厚区域，如图5-1-11所示。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真4.最小半径在增材制造过程中，过小的曲率半径可能导致打印材料的堆积，甚至会使打印失效，因此需要进行最小半径检查，以便采取预防措施或通过后处理方式修补。“最小半径”工具用于识别并显示模型中小于设定的最小曲率半径的区域，可以区分凸曲率半径和凹曲率半径。对模具型芯“最小半径”的检查步骤如下：（1）单击“最小半径”按钮，显示“检查最小半径”对话框。（2）选择工作方式为“3D最小值”。（3）单击“选择体”，在图形区选中模型实体。（4）设置“最小半径”为0.5mm。（5）取消勾选“排除凸半径”和“仅显示小于最小半径”。（6）勾选“预览”。（7）模型检查效果如图5-1-12所示，表明型芯模型没有问题。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真5.完全封闭空间体通常，三维模型内的完全封闭空腔不利于增材制造。例如，未烧结粉末难以在后续处理中清理，特别是在封闭空腔内有支撑结构时，无法移除支撑结构。“完全封闭空间体”工具用于自动识别并显示完全封闭的空间区域。对模具型芯“完全封闭空间体”的检查步骤如下：（1）单击“完全封闭空间体”按钮，弹出“检查完全封闭空间体”对话框。（2）单击“选择体”，在图形区选中冷却型芯。（3）勾选“预览”。（4）完全封闭空间体检查结果如图5-1-13所示，未出现红色标识区域，表明不存在完全封闭空间体。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真6.通道比率有些零件存在细小通道，不利于残留金属粉末的清除。“通道比率”工具用于识别并显示过小的通道结构，包括内部通道中直径过小的区域，或者直径和指定段长度比过小的区域。通道一般是由曲面构成的，有两种获取通道曲面的方式：第一种是手动选取曲面，可以一次选取一个或多个曲面；第二种是从实体中获取一个或多个实体，检查工具便可自动从实体中分析出组成通道的曲面。对于通道结构复杂的情况，第二种方式比较合适。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真对模具型芯“通道比率”的检查步骤如下：（1）单击“通道比率”按钮，显示“检查通道比率”对话框。（2）单击“重置”按钮。（3）在图形区单击鼠标右键，选择“渲染样式”→“面分析”。（4）单击“选择面”，在“面规则选项”中选择“相切面”，在图形区选中“面/管”特征。（5）默认“指定构建平面坐标系”设置。（6）默认“最小直径”表格中的参数设置。（7）保持“段长度”为50mm默认值，设置“最小比率”为0.02。（8）勾选“仅显示未通过的段”。（9）单击“通道比率”按钮，通道比率检查结果如图5-1-14所示，表明型芯内部的冷却通道不会残留粉末。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真7.牢靠支撑“牢靠支撑”工具用于识别并显示内部腔体中需要支撑结构却难以在后处理过程中彻底将其清除的区域。若支撑结构存在于零件内部，则要考虑在后处理阶段能否将其有效清除，这样的区域要识别规避。如图5-1-15所示为一模型截面，打印方向为+Z轴方向垂直向上。零件存在内部腔体，其上表面需要支撑结构，但支撑结构可能无法在后处理过程中彻底清除。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真对模具型芯“牢靠支撑”的检查步骤如下：（1）单击“牢靠支撑”按钮，显示“检查牢靠支撑”对话框。（2）单击“选择体”，在图形区选中模具型芯。（3）默认“指定构建平面坐标系”设置，即打印方向垂直于底面。（4）设置“最大延展角度”为45°，勾选“仅显示牢靠支撑区域”。（5）勾选“预览”。（6）在图形区中，红色标记处即为牢靠支撑区域，如图5-1-16所示，按照45°延展角度，冷却通道内会有大量牢靠支撑（难移除）区域，因此应尽量避免在此区域设置支撑结构。实际上，该冷却通道直径只有4mm，完全可以不设置支撑，而是通过调整“最大延展角度”或采用手动移除方式来避免此类问题。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真8.打印时间“增材制造设计”模块提供了估算打印时间的工具。打印时间取决于增材制造的方式。目前，NX支持3种常见的增材制造方式：粉床熔融成型（PBF），包括选择性激光烧结成型（SLS）和选择性激光熔融成型（SLM）；多射流熔融成型（MJF）；熔融沉积成型（FDM）。对模具型芯“打印时间”的检查步骤如下：（1）单击“打印时间”按钮，显示“检查打印时间”对话框。（2）单击“选择体”，在图形区选中模具型芯。（3）设置“打印机”为“粉床熔融（PBF）”，保持“指定构建平面坐标系”的默认设置，保持“打印机设置”中的默认参数。（4）估计打印时间为25hour30min，如图5-1-17所示。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真9.过热分析使用激光粉末床熔融成型方法制作有悬垂结构的金属零件时，如果悬垂角度过大，则悬垂处成型金属体相对较少，粉末相对较多，烧结时不如中心处散热效果明显，可能导致悬垂区域局部过热，从而发生形变。NX的“过热”工具用于检查并识别这种区域。（1）单击“过热”按钮，显示“检查过热”对话框。（2）单击“选择体”，在图形区选中模具型芯。（3）取消勾选“仅显示过热区域”，保持“最大延展角度”的默认值60°（4）勾选“预览”。（5）“过热区域”栏显示有过热风险的区域面积为2375mm2，即图5-1-18所示的模型的红色区域。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真10.优化部件方位优化部件方位时通常需要考虑时间、空间以及材料物理性能等多种因素。“增材制造设计”模块的“验证”工具栏中提供了强大的打印方位优化工具。该工具采用向导式对话框，用户可自行设置参数并检查多个项目。此外，该工具支持手动优化和自动优化两种工作方式，优化结果可预览和保存。单击“部件方位”按钮，打开“优化部件方位”对话框。第一个向导页是“打印机”页面，如图5-1-19所示。在“打印机”下拉列表中选择增材制造方式，包括“粉床熔融（PBF）”、“多射流熔融（MJF）”和“熔融沉积成型（FDM）”3个选项，这里选择“粉床熔融（PBF）”。单击“下一步”按钮，进入“检查”向导页，如图5-1-20所示。粉床熔融成型方式支持的检查项目有4个，分别是“曲面区域”、“支撑空间体”、“打印时间”和“过热”，系统默认全部勾选。“曲面区域”主要指支撑区域在打印床平面上的投影面积。所需支撑的投影面积越小，越有利于在打印床上一次打印更多的部件。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真10.优化部件方位优化部件方位时通常需要考虑时间、空间以及材料物理性能等多种因素。“增材制造设计”模块的“验证”工具栏中提供了强大的打印方位优化工具。该工具采用向导式对话框，用户可自行设置参数并检查多个项目。此外，该工具支持手动优化和自动优化两种工作方式，优化结果可预览和保存。单击“部件方位”按钮，打开“优化部件方位”对话框。第一个向导页是“打印机”页面，如图5-1-19所示。在“打印机”下拉列表中选择增材制造方式，包括“粉床熔融（PBF）”、“多射流熔融（MJF）”和“熔融沉积成型（FDM）”3个选项，这里选择“粉床熔融（PBF）”。单击“下一步”按钮，进入“检查”向导页，如图5-1-20所示。粉床熔融成型方式支持的检查项目有4个，分别是“曲面区域”、“支撑空间体”、“打印时间”和“过热”，系统默认全部勾选。“曲面区域”主要指支撑区域在打印床平面上的投影面积。所需支撑的投影面积越小，越有利于在打印床上一次打印更多的部件。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真单击“下一步”按钮，进入“支撑空间体参数”向导页，如图5-1-21所示。该向导页只有一个参数，即“最大延展角度”。这个参数同时也是“曲面区域”检查项的核心参数。单击“下一步”按钮，进入“打印时间参数”向导页，如图5-1-22所示。粉床熔融成型方式的打印时间参数有6项。任务一模具随形冷却型芯激光熔融工艺仿真（1）“层厚”指单层烧结粉末的厚度。（2）“剖面线间距”指激光烧结成型的平行轨迹中心线的间距。（3）“岛长”指平行轨迹的长度。（4）“移动速度”指激光束烧结粉末时的平均移动速度。（5）“空写时间”指逼近岛长末端时，激光移动装置进行减速、转向和加速的时间。该段时间内激光束可能关闭。（