利用ANSYS Additive Print可成功实现金属3D打印首次即成功

作者:Eric Miller,美国菲尼克斯市PADT公司总裁兼共同所有人

随着增材制造的优势日益突显,企业积极探索能改进3D打印工艺的方法。ANSYS渠道合作伙伴PADT凭借其广泛的快速原型构建服务,长期位居增材制造的前沿地位。为了确保客户能迅速获得即用型增材制造部件,PADT的团队最近一直都采用ANSYS Additive解决方案进行设计。

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ANSYS Additive Print

金属增材制造是增长速度最快的制造领域之一。据《沃勒斯报告》(Wohlers Report)的统计数据,2017年金属制品销售额增长了80%。众多行业的企业都希望能充分利用3D打印的速度和灵活性创建其金属组件。最常见的工艺是利用激光粉末床熔化成型技术逐层构建金属部件。在此过程中,激光首先会熔化金属粉末,然后金属变成固化。但是,这个过程会产生热应力,而热应力又会造成变形。最好的结果是部件不完全符合CAD模型尺寸,但是在允许的公差范围内。由于变形的部件在打印过程中会干扰打印机器,最差的结果是在粉末刮板碰到部件的突出部分时,会损坏非常昂贵的机器。

PADT在大约25年前购买了第一台3D打印机,此后一直在添加新设备。他们在该领域能向客户供应六种不同的增材制造技术,而且每月可加工成百上千个部件。一年多以来,PADT一直在应用一种最新的技术,那就是:金属的激光粉末熔化成型技术。在此过程中,工程师首先发现了残余应力及变形问题。有些部件变形并不严重,但另外一些却出现了像炸土豆片一样的翘曲。在大多数情况下,公司的工程团队都会设计薄的金属结构,以作为突出部位的支撑和对部件的约束,直到其经过热处理之后消除这些应力。不过,PADT此前仅考虑到需要哪些支撑,因而往往造成过度设计。其团队目前采用ANSYS Additive Print不仅能优化支撑,同时还能补偿变形进而避免刮板损坏。这就节省了大量时间。

ANSYS Additive Print and additive manufacturing small turbine

ANSYS Additive Print已经确认小型燃气轮机的部件无需额外支架。制成的产品 证实该部件正确无误。

团队首先采用ANSYS Additive Print处理Monarch Power公司提供的部件⸺该公司正研发一种能让用户自行发电的创新型太阳能产品。在他们的新产品中,有一种配备有向心螺旋叶片压缩机、内燃室和向心螺旋叶片膨胀机的小型燃气轮机,非常适合采用增材制造,因为所有这些元件以及内置轴向磁通发电机都可以进行打印制造。它采用自支撑方式,不存在突出的几何结构,而且外表面可以对所有内部结构形成约束,因而只有部件底部需要采用支架。ANSYS Additive Print预测了最小变形,并确定无需支撑件。根据Additive Print的建议,PADT制造了不带支架的部件。实际构建的成品验证了ANSYS模型。通过避免不必要的支架对部件产生的过度约束,PADT为客户节省了大量时间与材料。

在设计用于增材制造的T型管时,仿真的替代方法是试错法,这种方法即使花费数周时间以及数万美元的打印、后处理与工程费用也只能得到与仿真相同的结果。此外,试错法还会浪费材料和损坏粉末刮板。PADT轻松就证实了该模型非常适合涡轮机模型,然后还确定了用于纠正T型管打印错误的几何结构。

仿真过程既简单又直观,而且制造助理人员在ANSYS Additive Print中完成了所有建模操作。Additive Print将构成未来金属3D打印项目的组成部分,不仅能节省迭代次数和材料,同时还能更快地为PADT客户提供精确的部件成品。

本文所述工作由PADT生产技术部Paraic O’Kelly与Anna Hayes完成。

T型管的增材制造

t-tube

公司的团队决定通过仿真和制造PADT已生产数十年的T型管模型对ANSYS Additive Print进行测试,以确定支撑结构以及塑料与金属3D打印的精度。

t-tube Additive Print

在采用PADT的标准3D打印前处理工具生成支架之后,团队在Additive Print中执行了快速假设应变分析,并发现了模型没有得到正确支撑。水平管底部前几层严重变形,因而如果部件打印出来,这些层就有可能损坏支架并且造成机器破损。

t-tube Additive Print supports

PADT员工采用ANSYS Additive Print 设计了支架。软件预测出有0.4毫米的变形,而标准支撑是3.0毫米。

然后,他们采用ANSYS Additive Print的变形补偿功能计算了局部变形,并修改了相关几何结构,以使最终打印的形状更接近预期尺寸。

T-tube additive mannufacturing supports

部件(包括支架)是在Concept Laser MLab激光粉末熔融机器中采用17-4PH不锈钢打印而成。

scanning

PADT扫描团队采用ZEISS结构光扫描仪对拆除支架后的部件进行了检验。测量结果显示,与额定CAD模型之间存在大约0.38毫米的偏差,这对于极易产生变形的部件而言已是不错的结果。

ANSYS Additive Print

在对比了扫描结果与最终几何结构后,工作人员发现支撑材料拆除后表面的粗糙(而非热变形)导致了大部分的偏差。支撑附件粗糙表面之外的区域只有大约0.13毫米的变形,这表明优化后的支架以及ANSYS Additive Print的变形补偿功能打印出了非常符合验收公差的部件成品。

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