臺灣工業技術研究院（ITRI）為臺灣創新空間（TiSPACE）提供增材制造（也稱3D打印技術）服務，包括原始設計制造、重新設計和仿真等。TiSPACE的固液火箭發動機中使用的燃料噴射器組件的3D打印過程為：首先，激光將第一層粉末熔化并融合到構建板上，涂覆機將第二層粉末均勻散布在第一層上；然后，激光再次將粉末熔化并融合……此過程依次連續進行。但是，這時涂覆機發生了堵塞。激光的熱量在材料中引起溫度梯度，導致涂層變形并最終導致涂覆機堵塞，整個構建過程停止。
檢修故障后，工程師再次嘗試構建。這次雖然完成構建，但最終結果是噴射器變形，從而無法使用。該小組繼續第三次、第四次嘗試……工程師意識到需要優化整個過程的參數以確保構建成功，但是反復試驗的方法會浪費大量的時間、精力和成本。
便捷、經濟的增材制造工藝
激光粉末床熔融（LPBF）是一種增材制造技術，它利用激光將粉末熔化并融合在構建板上。激光粉末床熔融是一個廣義的術語，它涵蓋了諸如選擇性激光熔化（SLM）、選擇性激光燒結（SLS）和直接金屬激光燒結（DMLS）等多種過程。在激光粉末床熔融過程中，通常將大約30μm~50μm的薄層材料均勻散布在構建平臺上，用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；依次類推，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構建完成。（在該過程中，操作人員可以使用電子束代替激光，并在真空中進行組裝。）
由于激光的高分辨率，激光粉末床熔融使得制造商可以制造復雜的形狀。另外，增材制造技術還可以將一次構建中未使用的粉末重新摻入機器中，用于制造其他產品。這使得增材制造的成本效益高于其他耗費材料的制造過程。由于這些優點，激光粉末床熔融可用于多個領域的制造加工，包括航空航天、汽車和醫療行業。此外，在牙科應用和珠寶制作中也很常見。
但是，激光粉末床熔融面臨著一系列挑戰。一方面，該過程涉及高度局部激光加熱，導致材料產生較大的熱梯度。在制造零件時，熱梯度會在材料層中產生殘余熱應力和變形。如果殘余變形過大，則可能導致機器的涂覆機組件堵塞，從而終止整個制造過程。如果機器堵塞并終止了構建，則必須重新啟動該過程，這會浪費資金和時間。另一個風險是成品零件也可能產生變形，有時會超出最終用戶的可接受范圍。
火箭發動機部件的增材制造
臺灣工業技術研究院致力于研究激光粉末床熔融工藝，以平衡高精度產品成本和時間的限制。來自研究院激光和增材制造技術中心（AMMC）增材制造系統創新部的研究人員，包括工程師Wai-KwuenChoong和Tsung-WenTsai，以及經理StevenLin，優化了制造TiSPACE混合火箭發動機3D打印噴射器組件的激光粉末床熔融工藝（圖1）。該3D打印噴射器由TiSPACE設計，可提高固液發動機動力推進劑的混合效率，并利用流體動力學優化設計。臺灣工業技術研究院使用增材制造設計技術進一步改進了設計，正如WaiKwuenChoong所說：“復雜的內部流動通道和合并的部件功能使其成為激光粉末床熔融技術的絕佳展示。”
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的設計挑戰。在一部分尺寸（一般約為110mm×110mm×170mm）中，會不可避免地會累積熱應力，并最終導致在噴射器z軸方向上產生較大的變形。這種變形將導致涂覆機堵塞致使系統終止。臺灣工業技術研究院和TiSPACE通過優化激光粉末床熔融工藝來避免變形，可以減少因終止構建而浪費的時間和成本。
力學仿真預測增材制造結果
通常，使用簡化的經驗法則和試錯法預測激光粉末床熔融加工的結果。例如，45°規則就是增材制造領域中一種簡單且通用的規則。該規則要求設計應避免包含大于45°的懸垂角，否則它不是3D打印的理想選擇。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。
圖 2：3D 打印噴射器的激光粉末床熔融制造過程仿真
該規則不能解決像3D打印噴射器那樣復雜的設計，而反復試驗會很快消耗項目制造的時間和成本。因此，臺灣工業技術研究院選擇了一種替代方案——使用仿真預測制造零件的殘余應力和變形（圖2）。為了實現這個目標，他們求助于COMSOLMultiphysics?軟件。
為了預測熱梯度如何在噴射器設計中引起應力和變形，團隊在初步模擬中采用了本征應變的方法。最初建立該方法是為了快速預測焊接問題中的殘余應力和變形，但現在也越來越多地用于解決金屬增材制造問題。
該團隊使用COMSOL?軟件結構力學模塊中的固體力學接口進行熱力學分析。這樣，他們可以評估制造零件中的殘余應力和變形。COMSOL?軟件中的活化功能專用于增材制造，可以完美模擬重復過程，包括激光粉末床熔融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優化制造流程
借助多物理場仿真，臺灣工業技術研究院團隊成功預測了激光粉末床熔融過程中的應力和變形結果，但是仍然存在一個問題：部署激光粉末床熔融過程的增材制造系統工程師通常并不熟悉仿真，聘請仿真專家只會增加項目時間和成本。
根據激光粉末床熔融模型，該團隊構建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ITRIAMSimApp。他們使用COMSOLMultiphysics?軟件內置的模型構建器，根據已有的模型建立仿真App。使用該仿真App，系統工程師可以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。
圖 3：ITRI AMSim 仿真 App 界面
該仿真App還包括5種不同的粉末材料供選擇，包括Ti6Al-4V，一種鈦合金；MP1，一種CoCrMo合金；PH1和316L，不銹鋼；AlSi10Mg，一種鋁合金。該仿真App的輸出是系統工程師在底板上所需的結果，例如構建階段和切割后的位移和殘余應力分布。
該仿真App的輸入基于實驗校準，臺灣工業技術研究院團隊通過不同的掃描策略執行該實驗以提取正確的本征應變矢量。該矢量或矢量分量會根據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）而變化。
團隊已經使用COMSOLCompiler?將該仿真App編譯為獨立的可執行文件。編譯應用程序分發給系統工程師，它可以在沒有安裝COMSOLMultiphysics?軟件或COMSOLServer?許可證的環境下運行。實際上，臺灣工業技術研究院團隊可以自行許可運行該仿真App，并在三個月的試用期內將其提供給目標用戶。
當被問及在臺灣工業技術研究院和TiSPACE的聯合項目中使用仿真App帶來的好處時，Wai-KwuenChoong對其節約時間和資金的優勢表示認同，并表示這完全是成本問題。
使用仿真App節約時間和成本
在構建和部署AMSim仿真App之前，TiSPACE的3D打印噴射器的構建已開始并通過試錯法終止了四次。每當涂覆機堵塞或零件本身破裂時，該過程都會失敗。引入AMSim仿真App之后，花費在測試過程的總時間減少了75%。使用該仿真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，從而成功構建組件。完成物理增材制造流程以測試零件構建大約需要一周時間，而使用仿真App則需要不到一個小時。
通過計算，反復試驗所需的人工、機器和材料成本，再運行仿真App以后，得到進一步降低（約83.3%）。最后，將仿真結果與實際制造過程進行比較，完成3D打印噴射器增材過程所需的時間縮短高達99%。
未來計劃
臺灣工業技術研究院團隊計劃改進AMSim仿真App，該技術已經經歷了三次迭代，具有用于材料校準的新功能以及檢測涂覆機干擾、模擬支撐結構等功能。他們希望為仿真App添加更多高級但對用戶友好的功能，以提高現有仿真App的時間和成本效益，并通過縮短學習曲線進一步提高增材制造行業入門級用戶的投資回報率。
未來，臺灣工業技術研究院的AMSim仿真App可以提供更加逼真的3D打印過程預覽和零故障生產。
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