国家标准计划《增材制造 金属材料粉末床熔融工艺仿真》由 TC562（全国增材制造标准化技术委员会）归口 ，主管部门为中国机械工业联合会。

主要起草单位 北京航星机器制造有限公司 、中机生产力促进中心有限公司等 。

（1）必要性 随着先进制造技术发展，结构产品高端制造领域对快速研制的需求愈发迫切，对于一些复杂结构件，传统加工方法存在加工难度大、周期长等问题，难以满足日益复杂的结构形式及快速研制的要求。

增材制造是近年来高速发展的先进制造技术，是解决上述问题的有效途径。

其中，粉末床熔融增材制造技术是以激光或电子束为热源，按照预定路径逐层成形结构件的增材制造技术，具有成形精度高、可成形复杂结构件等特点。

随着高端制造领域产品更新迭代加速、结构形式愈发多样复杂，越来越多单件、小批量产品采用粉末床增材制造工艺进行制造。

目前，粉末床熔融增材制造的材料、设备成本相比于传统制造均较高，因此主要用于高端制造领域的复杂结构件制造，是应用最广泛的增材制造技术之一。

对于研制类复杂结构产品的，往往是首次制造或首次采用增材制造方案制造，缺乏制造经验；且存在异型、内腔、薄壁等多种复杂结构，制造难度大，即使采用增材制造也存在一定的失败风险。

若通过试验件、缩比件制造等方式进行实验测试，则研制周期和成本均显著增加。

因此，采用增材制造工艺仿真，可以在研制阶段快速验证不同增材制造工艺方案的可行性，高效、低成本地筛选出较优的零件摆放姿态、支撑方案、工艺参数，提高研制类复杂结构件增材制造一次成功的概率，从而有助于降低粉末床熔融增材制造工艺的整体成本，缩短结构件增材制造的研制周期，保障增材制造产品质量。

随着粉末床增材制造技术发展，工艺仿真已成为粉末床增材制造研制生产过程中的必要环节，仿真工作的实施对工艺方案的设计具有关键指导意义。

目前，国内众多企业在粉末床增材制造工艺过程中大量使用了工艺仿真技术，主要应用于增材结果的预判分析、对工艺方案优化迭代等领域。

但是，经过调研发现，各单位进行粉末床熔融增材制造工艺仿真过程中，主要依靠经验进行操作，尚无系统性的指导文件，对仿真结果要求也无明确统一的标准，使得仿真效率与可靠性不足，且各单位之间的仿真要求不统一，结果且难以通用，限制了仿真技术的应用效果。

综上，针对快速发展的粉末床熔融增材制造技术，亟需制定相关工艺仿真规范，在产品保障方面，可提升仿真工作的操作效率、规范性，提高仿真结果的可靠性、互通性，进而提高增材制造产品的研制成功率、缩短研制周期、降低研制成本；在标准体系方面，可完善国家增材制造技术的标准化体系，以及数字化仿真技术的标准体系；在技术发展方面，可促进我国增材制造行业整体技术水平提升，以及增材制造技术在高端制造业中的应用水平提升。

（2）可行性 中国航天科工集团第三研究院高度重视增材制造技术与产业发展，依托三院增材制造技术研究应用中心和中国航天科工集团公司增材制造技术创新中心，按照“应用牵引、工艺突破、材料配合、介入设备”的总体发展思路，致力于开展增材制造原材料制备、装备研发及工艺技术等研究。

中国航天科工集团第三研究院目前全院拥有工业级增材制造装备50余台套，装备种类涵盖激光选区熔化成形、激光熔融沉积成形、电子束选区熔化成形、电弧送丝增材制造等，成形尺寸为400mm×400mm×400mm及以上的装备20余台套，其中单个维度最大成形尺寸1500mm，装备整体能力处于国内前列。

在工艺技术能力方面，三院自主开展激光选区熔化成形、电子束选区熔化成形、激光熔融沉积、电弧增材制造等多种增材制造技术研究，重点突破了大尺寸钛合金、高温合金激光选区熔化成形工艺技术，大型钛合金构件激光熔融沉积工艺技术，高温合金电弧增材制造技术，其中多项技术处于国内领先水平，多个型号增材制造产品已通过飞行试验验证。

中国航天科工集团第三研究院属单位北京航星机器制造有限公司，为满足近年来在粉末床熔融增材制造产品的研制及生产需求，已在铝合金、钛合金等多种材料，舱段、舵翼、叶轮、管路等数十种结构的百余件产品中进行了应用验证，实现了产品研制生产的降本增效，在此过程中，逐渐优化了仿真操作流程、技术要求，形成了企业标准。

利用仿真技术，在多材料复杂结构产品上，得到完备的仿真数据，仿真结果与实际趋势一致，变形数值与实际偏差一般不超过30%。

仿真技术不仅用于首次研制的工艺方案优选，也可用于产品的持续迭代优化过程，实现产品持续的质量提升。

部分仿真案例如表1所示。

综上，北京航星机器制造有限公司在粉末床增材制造装备、工艺技术、仿真技术等方面在国内处于引领地位，并在实践中经过了大量应用验证，对于承担本标准的制定工作具有可行性。

本文件主要规定金属粉末床熔融增材制造工艺仿真的目的和时机、一般要求、仿真流程、详细要求、评价与优化、仿真结果应用等要求，适用于激光选区熔化、电子束选区熔化等金属粉末床熔融增材制造工艺仿真，用于指导粉末床熔融增材制造工艺参数、工艺方案的验证、迭代、寻优。具体技术内容如下： 在术语和定义方面，除了引用GB/T 31054等现有标准对增材制造、数值模拟有关的术语外，针对粉末床增材工艺仿真的特点，对热固耦合法、固有应变法两种主要仿真方法进行定义，以及对增材仿真中由于数据量过大常用到的“计算步长”进行定义。 对仿真的目的和时机提出要求。对于金属粉末床熔融增材制造，仿真的主要目的是模拟某一工艺参数、工艺方案下结构件增材制造后的内应力、变形等结果，进而判定该工艺参数、工艺方案是否可行，或是对比不同的方案进行优选。对于仿真时机，主要从保障产品质量、提高产品研制成功率的角度，要求在使用新材料、新工艺参数，产品首次研制或技术状态发生重大变化，工艺方案优化迭代等情况下进行工艺仿真。除了正向设计的应用，在回溯质量问题时，也可用仿真技术进行原因分析。 对仿真的几何模型提出要求。仿真几何模型是仿真工作开展的基础。仿真使用的几何模型为考虑了加工余量、控形方案、支撑方案等工艺设计的增材工序模型。同时，应特别注意模型在不同软件中传递时格式的通用性。此外，仿真工艺模型与仿真计算结果为强相关关系，为了便于回溯查看，应将仿真模型与仿真文件进行统一保存，并对不同版本明确标记。 对仿真的软、硬件提出要求。粉末床熔融仿真软件是完成仿真工作的主要工具，一般涉及三类软件：CAD设计软件、模型处理软件、仿真计算软件。增材制造工艺仿真使用的计算机硬件是完成仿真工作的基础条件，需具有较高配置，以保障仿真操作过程、计算过程顺畅。 对单位制及数据管理提出要求。各项参数单位一般应采用ISO单位；仿真数据应有效保存仿真结果数据，便于后续使用。 依据工程经验，对粉末床熔融增材制造工艺仿真流程进行具体要求。流程以初始工艺方案为起点，在确定了产品某一工艺参数、加工余量、控形方案、支撑方案等工艺设计后，则可开始一项仿真流程。仿真流程主要分为前处理、求解、后处理、报告编制四部分。在前处理中，主要对该工艺方案下的工艺模型先进行修改优化，以确保模型可进行仿真计算，并平衡仿真效率与准确性。同时按照实际生产情况，对该方案下的材料属性，设备、工艺、计算等参数进行设定。之后进行网格划分，将模型离散化为可计算的网格。最终通过求解、结果分析与输出、报告编制等完成仿真分析。 对于仿真求解过程提出要求，主要要求对计算过程进行监测，提高计算成功率。通过查阅计算日志，查看计算过程的收敛性，若发现异常，则回到前处理步骤，对几何模型缺陷、网格情况、参数设置等进行检查。此外，若在计算期间改变了计算方案、软件异常等其他问题，也可及时中止计算，并回到前处理步骤检查模型和各参数的合理性。 根据应用需求，对仿真计算的后处理提出要求。粉末床熔融工艺仿真的后处理主要指对仿真结果进行评价、优化、输出的过程，主要输出和评价内容包括但不限于：温度场、应力场、变形等结果。 对报告编制提出要求，以充分保障仿真结果的正确性、可复现性、指导性。仿真报告一般包含仿真目的、模型介绍、材料属性、参数设置、网格尺寸、仿真结果、结论等内容。对于重点特征区域应采用截取截面、采集局部节点数据、建立数据曲线等方式呈现仿真数据结果，使其数据呈现更加完整、直观。仿真报告的结论应包含对实际生产工艺参数、工艺方案等的指导性建议。 对仿真计算结果的评价与优化提出要求。最终结果的评价与优化主要针对所制定的工艺方案，以及仿真模型本身的设计情况进行优化评价。对于工艺方案，主要开展合理性评价，对不同方案进度对比优选，或是不断迭代优化；对于结构设计，主要在此阶段发现设计工艺性问题，并可以仿真结果为依据向设计人员反馈。 提出仿真结果的应用场景，以保障仿真数据的应用效果。仿真结果的应用场景与仿真目的相对应，主要为验证在所使用的工艺参数、工艺方案是否正确，或是对多组工艺参数、工艺方案进行对比优选。对于工艺参数方面，可验证仿真使用的工艺参数是否合理，若存在温度过高、或明显大变形等，则表明工艺参数不合理，此时应修改工艺参数后再进行仿真。此外，也可设计多组工艺参数进行仿真对比，对不同工艺参数进行优选。