确保增材制造获得成功

作者:Masha V. Petrova,ANSYS增材解决方案首席产品营销经理

随着设计人员积极探索增材制造(AM)带来的精彩新世界,他们不但要攻克创新设计的新挑战,还需要确保制造过程中能够精确地打印出所需部件。AM专用仿真工具便是成功制造的唯一可靠途径。

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ANSYS Workbench Additive

哪怕最伟大的创意也会因执行不良而毁于一旦。

随着增材制造技术日渐成熟,并普及形成商用规模的制造工艺,我们正亲身见证科幻作品中的事物走进现实。我们能够打造以前无法实现的有机形状、大胆地采用具备全新特性的先进材料,将打印机和金属粉末耗材运往世界(甚至宇宙)偏远角落,就能根据需要现场生产出各种复杂的部件,而这仅只是AM深厚优势的一部分。

“设计人员如何避免出色的设计方案在AM制造过程中受到破坏?”

AM成功路上的挑战

additive manufacturing

不过,机遇和挑战共存。在我们把打印设备送往太空,助力构建移民火星的基础设施之前,必须先解决一个大问题。部件在打印过程中会出现变形。尤其是在粉末床金属AM工艺中,温度较低的金属先受到激光的剧烈照射,再经历相对快速的冷却,然后铺上一层新粉末再次用激光照射。这一温度反复变化的过程会产生热应力,有可能造成部件变形,损坏打印床,甚至促使部件在昂贵的金属AM设备内爆炸。

面向增材制造的设计(DfAM)属于一大新兴热门设计领域。借助拓扑优化和设计探索工具,工程设计流程正在突破传统CAD有限图形种类的局限。AM的巨大潜能也激发了设计人员的创造力,制造出业界前所未见的形状,比如模仿受力弯曲的树枝,或者蝴蝶的翅脉等形状。此类新奇形状现已用于航空航天换热器、汽车中的支架和定制膝关节置换假体。

但是,这种快速增长也带来了更多的问题。在AM美好前景的激励下,设计人员创造出了诸多精妙设计方案,并采用了大量有机形态的通道和错综复杂的歧管,但很多设计人员并未认识到,AM工艺本身的复杂性使这些奇思妙想很难成形,他们不得不反复重新设计相关部件,以便打印出符合规范要求的部件。

因此,设计人员如何防止出色的设计方案在AM制造过程中受到破坏?答案就是仿真。

如果设计增材制造产品的设计人员能够利用仿真工具,在制造之前就了解部件能否精确地打印成型,那么他们就能够自主掌控其设计,并且确保设计方案即使在打印过程中也能保持形体不变。

ANSYS additive print

ANSYS Additive Print 可预测热交换器中的热力置换。图片由Additive Industries提供。

 

面向增材制造的仿真

由于每个工程师的工作方式不尽相同,而且需要能够无缝融入其工作流程的工具,因此ANSYS提供了一系列针对不同需求的增材制造解决方案。经过充分考虑DfAM设计人员和AM机器操作员的需求,ANSYS打造出了Additive Print这套独立解决方案。 Additive Print逐层金属粉末床仿真工具是避免打印失败的关键,有助于淘汰物理试错方式,并能够轻松地融入设计人员和AM设备操作员的工作流程。虽然基础的求解器很复杂,但是用户界面却很简单。设计人员可将包括STL在内的CAD设计文件导入 Additive Print,利用比打印物理部件更快的速度运行仿真,查看设计方案在打印过程中的情况,以及相应调整支撑或设计。

Additive Print一样,ANSYS Workbench Additive 也可以仿真金属粉末床打印过程,但它是在用户所熟悉的Workbench环境中工作。它可以帮助用户杜绝打印失败现象,并能通过可视化方式查看打印过程中产生的的变形与热应力。但是,与Additive Print不同的是,Workbench Additive面向工程分析人员,这样他们在整个仿真过程中仍然可以使用ANSYS Workbench环境。

“增材制造正在开启设计师与分析师的创意之门。”

工作原理

例如,航空航天工程师可将由数千个部件构成的复杂CAD几何结构导入Workbench,然后采用ANSYS SpaceClaim清理几何结构,并针对单个部件或者整个装配体建立完整分析文件。之后他可以执行完整瞬态热传递仿真以及全面的结构和/或热分析,以确定需要哪些几何结构变更,一切操作全部都在Workbench环境中进行。此外,他还能够执行CFD分析,以了解几何结构变化如何影响压降等情况。工程师还可以执行拓扑结构或者晶格优化分析,然后重新执行任何结构、CFD或者模态分析⸺所有操作都无需离开ANSYS Workbench。

在工程师确定了相关部件能够按照要求运行之后,即可运行 Workbench Additive,以确定如何打印部件。是否存在热应力积聚?是否存在变形?支撑部分是否需要调整?部件是否必须重新设计和重新分析?完成打印仿真之后,还可以仿真从底板拆除以及热处理等后处理工作⸺所有操作均在ANSYS Mechanical中完成。ANSYS Workbench支持工程师开展疲劳分析,以了解相关部件或装配体(无论是打印还是采用传统方式制造)能否耐受磨损,而且还能执行各种优化。

增材制造正在开启设计师与分析师的创意之门。未来几年内将不断涌现出许多绝妙的设计创意。仿真技术将助力攻克增材制造工艺的相关挑战,确保此类创意能够落地开花。

additive manufacturing example

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