增材制造:仿真新前沿

作者:ANSYS 员工

增材制造,即广为人知的3D打印技术,有望同时为工程与生产带来变革。由于能够把数字设计方案快速转变成实际产品,增材制造可以实现大规模定制并快速响应产品开发。但是高昂的材料成本要求产品研发人员每次都能够一次成功,完成最佳的设计方案。《ANSYS Advantage》最近与ANSYS的两名专家探讨了仿真如何最大限度地提高成效和降低风险。

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ANSYS additive manufacturing

“增材制造应当作为更大规模产品研发与制造战略的组成部分,从而发挥战略作用。”

ANSYS additive manufacturing

《ANSYS Advantage》:到底什么是增材制造?另外,业界为什么对它如此感兴趣?

Brent Stucker: 增材制造是一种通过逐层构造而生产三维部件的技术。该技术由于不断增加材料层而得名,刚好与某些其他生产工艺的过程相反。之所以被称为3D打印,因为它需要把数字设计方案发送到机器,后者可以快速制造产品。

增材制造一开始是用于快速制作原型,但是,由于具有众多超出传统工艺的优势,因此它作为一种新的生产形式得到了更广泛的普及。显然,它能够帮助企业把数字文件迅速转变为成品。不过它也能生产极其复杂的形状,以及满足特定客户需求的“一次性”设计。与此同时,客户还有望研发出高度定制的材料混合物,以实现预期的性能特征。

Dave Conover:认识到这种新技术的潜力之后,ANSYS研发了面向金属增材制造过程的仿真工具。我们目前正致力于研发有关金属材料,不过我们也计划在未来增加更多材料。目前我们专注于金属材料,是因为这正是我们的客户积极投资并且非常看好的领域。另外这个领域的试错成本代价最大,因此金属增材仿真工具不久将对企业成本控制具有非常大的影响。

 additive print blade and additive manufacturing blade

ANSYS正在与行业领先的工程和科学技术公司Renishaw合作,旨在研究仿真技术如何有效预测增材制造(AM)过程中的残余应力。经过ANSYS Additive Print预测,这些非常精密的涡轮机叶尖(每个只有1.3毫米左右)在AM过程中会由于较高的热应力而产生变形。(红色区域代表高应力区域。)仿真使设计人员和机器操作员能够调整部件几何结构或者机器参数,以尽可能降低代价高昂的打印错误的风险。

AA:目前金属增材制造的应用范围有多广?未来的潜力有多大?

BS:目前,率先采用金属增材制造的企业通常拥有高度复杂、需要承受极端工况的部件,如:航空航天企业。增材制造的进入门槛很高,因为需要购置非常昂贵的新生产设备。生产人员需要掌握新的专业知识。另外生产失败会导致巨大风险,因为金属粉末和其他3D打印材料的成本很高。

DC:因此,这就是为什么航空航天等行业在金属增材制造方面一路领先,他们从该技术中获得的相关利益让他们值得克服上述挑战。不过,随着我们一起努力研发相关解决方案,以攻克这些共同挑战,增材制造最终会适用于任何行业中除了航天航空之外所有的制造企业。

“增材制造意味着包括金属粉末在内的新材料、新设计、新生产工作流程和新的物理约束条件。”

AA: 工程仿真对于解决这些挑战有什么作用?

DC:当你考虑这些高成本和高风险的挑战时,需要认识到工程仿真对于那些希望探索增材制造战略的公司意义重大。其意义在于,仿真经过40多年的验证,能够最大限度提高确定性和降低风险。利用仿真技术,企业在象征性地按下“打印”按钮之前,即可预测某个数字设计是否能够成功制造。

BS:仿真的魅力在于它能够分析整个增材制造过程⸺从最早期的设计到成品。企业不但可以依赖传统仿真工具,以确保最终产品满足性能标准,而且他们现在还可以借助新的过程仿真解决方案模拟生产过程。他们能够回答这些关键问题,如:“我应该把设计发送到哪台机器?”,以及“哪种材料微结构非常适合这个设计方案?”

AA:仿真技术如何帮助那些刚开始探索增材制造的企业?

BS: 产品研发团队在过去可利用仿真技术来优化关键产品特征,而现在专业工具可以帮助他们针对新的增材制造环境优化设计方案。工程师可以逐层查看变形与应力。他们可以研究部件容差与构建失效,这些是增材制造的主要风险。通过增材制造技术生产的部件的特性与铸造或锻造部件的特性大相径庭,而仿真可以帮助工程师了解和解决这些关键差异。

DC: 正如Brent在前面所说的,这些公司需要投资新的生产设备。目前有一些专业仿真工具能够与这些机器交互。工程师和3D打印机操作员可以在试错之前,共同确定最佳机器与材料参数。他们可以将预测的机器行为、预测的部件特征与打印过程实际发生的情况对比,从而不断学习和改进。他们可以减少打印失败次数以及所需的原型数量。

虽然增材制造仿真是一门新技术,但是它与仿真一直以来所提供的价值定位相契合:最大限度降低风险,减少时间与成本,以及最大限度提高产品创新。

“随着增材制造得到更广泛的普及,其能够实现的益处可谓潜力无限。”

AA:有哪些具体的仿真功能可以适用于增材制造工艺?

DC:有一些适用于增材制造的仿真功能已经广泛用于解决传统的产品研发挑战。例如,数十年来工程师一直在仿真不同的材料成分。他们过去一直在优化产品拓扑以及处理几何结构,以便同时优化生产过程和实际性能。他们过去一直在进行热与结构分析。工程师过去需要研究部件形状、变形与应力。现在令人振奋的是,新的专业工具可以根据增材制造(3D打印)的独特条件而考虑所有这些方面。增材制造意味着包括金属粉末在内的新材料、新设计、新生产工作流程和新的物理约束条件。不过,通过提供新一代解决方案以作为我们传统软件包的功能扩展,ANSYS让这些变革变得易如反掌。

BS: 同样让人振奋的是,全新的软件工具专门用于优化工程师的设计方案,从而在当今的先进增材制造设备上进行生产。ANSYS首次研发了专门用于机器操作员的仿真软件。这些生产专家可以在虚拟环境中准确构建设计,从而能够确信特定产品几何结构能够在特定增材制造设备上成功打印。该软件可以和传统设计软件交互,可以独立运行,也可以作为ANSYS技术平台的组成部分运行,从而确保能够形成闭环设计构建循环,最大限度地提高成功几率和减少失败。(编者按:如欲了解面向增材制造的ANSYS解决方案,请参阅第19页。)

“ANSYS研发了面向金属增材制造过程的仿真工具。”

additive print turbine blade
additive manufacturing turbine blade
additive manufacturing deformation prediction

对于单个涡轮叶片,ANSYS Additive Print经过验证,其能够非常准确地预测AM过程中的变形,与实际打印过程十分匹配。通过变形补偿,最终部件与预期的几何结构非常接近。如果没有补偿,部件应该被视为一次失败的构建,从而浪费时间、设备产能和材料成本。ANSYS预计,对于涡轮机等复杂的几何结构而言,单次打印失败有可能浪费数万美元。

AA:什么原因促使ANSYS投资研发专门用于增材制造的新解决方案?

DC:今天,由于实现了快速设计和生产,因此功能之间的传统边界正在逐步消失。为了发挥此类技术突破的优势,整个公司需要加强紧密协作,而这正是新仿真解决方案的用武之地。ANSYS可在统一的技术平台中提供新工具,供企业中的不同岗位的工作人员(包括生产操作员和材料工程师)使用。

ANSYS积极肩负起责任,密切关注行业趋势, 并帮助我们的客户抓住新机遇,比如增材制造,它不但可以在工程部门、而且在整个公司都能够增加价值。这只是我们实现无处不在的仿真承诺的一个方面。

BS:BS:增材制造对传统制造企业的影响可谓意义重大。这种技术具有改变格局的潜力。医疗设备可以根据患者特定的几何结构进行生产。而庞大的配件库存?这些将会成为历史,因为未来只有在收到订单之后才开始生产替换部件。在石油天然气等行业中,在极端环境工作的产品可以采用新的混合材料成分制造,以提高耐用性。

随着增材制造得到更广泛的普及,其能够实现的益处可谓潜力无限。它能够促进企业内部的协作⸺减少设计构建周期的时间与成本,同时让工程师能够大胆去创造和实现极具创新的产品。在未来5到10年,增材制造将会成为开展竞争的必备利器,而未采用这种实践方法的公司只能望尘莫及。

“虽然增材制造是一种相对较新的技术,但是业界已经存在最佳行业实践供参考。”

AA:企业如何开始采用增材制造战略?

BS: 最常见的误区之一是增材制造属于“全有或全无”的价值定位。我认为,需要用新增材制造技术替代所有生产设备的预期会让企业望而却步。但是情况并非如此。

只有少数产品从头至尾都是采用增材制造进行生产。相反,主要部件进行3D打印,然后与传统方式生产的组件一起装配成兼具两者优势的产品。因此,传统制造商一开始会提出这样的问题,“我们的产品中有哪些部件适用于增材制造?”它们可能是具有复杂几何结构、需要承受特殊应力或者需要高度定制的部件。

增材制造应当作为包含传统制造功能的更大规模产品研发与制造战略的组成部分,从而发挥战略作用。

DC:同样,企业应当开始增加专门针对增材制造研发的、能够与现有仿真产品组合无缝集成的仿真功能。他们应当向ANSYS这样具有丰富经验的合作伙伴合作,咨询如何针对性地借助仿真技术、以较低风险和投资进入增材制造领域。

虽然增材制造是一种相对较新的技术, 但是业界已经存在最佳实践。ANSYS已经与最早期的采用者开展合作,而且可以帮助新的采用者实施这些实践,并最大限度地发挥其业务模式的优势。

Brent Stucker

Brent Stucker,增材制造总监

Dave Conover

Dave Conover,增材制造首席技术官

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