在增材制造工作流程中发挥仿真优势

作者:Louise Geekie,英国沃灵顿Croft Filters公司项目经理

在设计新款工业过滤器时,Croft Filters公司需要解决选区激光熔化增材制造过程中的翘曲问题。通过在设计打印的工作流程中利用ANSYS Additive Print增材制造仿真解决方案,工程师能够快速生成适合增材加工的设计方案,并避免多次试错产生的构件失败,从而把产品上市时间和原型构建费用减少了50%。

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additive manufacturing filter body

additive manufacturing filter 

为了研发一款按照工业最终用户需求减少抽运能量的新型过滤器,Croft公司的工程师推断出,让过滤器孔与流量保持一致可以降低驱动流体所需的抽运能量。这种过滤器设计需要极其复杂的内部轮廓,无法通过传统制造方法制造,因此Croft转而采用金属增材制造技术。Croft采用的选区激光熔化(SLM)增材制造工艺利用移动激光束按顺序熔化粉末床的微小区域,从而生产部件。

在每个熔化区域冷却的过程中,它会经受压缩力和张力,但同时会受到附近固体区域的附着力的约束。最终的残余应力有可能导致部件翘曲。过去,Croft工程师通过试错方法消除翘曲,或者至少把它降低到可以满足尺寸容差的程度。通过采用ANSYS Additive Print解决方案帮助解决变形问题,Croft工程师把解决时间和原型构建费用减少了50%。

additive manufacturing filter first
采用增材制造技术首次尝试制作部件产生了明显变形。
additive manufacturing filter distortion
原始设计方案的ANSYS增材制造仿真结果与实际部件所示的变形匹配。
AM filter no top
Croft工程师首先进行仿真,然后创建了拆除顶部后的部件的原型(在此显示),以诊断相关问题。
AM filter support
经过重新设计将支架与滤网合并的部件的CAD模型。
AM filter final
支架与变形补偿结合在一起能够消除变形问题。

采用SLM工艺制造的过滤器

在SLM工艺中,一个刮板会推着一层薄的金属粉末(本例中为316L不锈钢)在打印床上移动,而激光光束扫描粉末层以熔化该层的相应区域,从而构成部件截面。在每层完成之后,另一层粉末则打印到未完成的部件上,同时激光器熔化新的截面。这个循环一直持续到部件完工。

随着顶层部件的每个区域冷却,凝固的底层可以抵抗热收缩,从而对顶层施加拉伸应力。同样,顶层对其下面的固态区域施加抗压应力。部件的几何结构以及增加用于支撑悬垂部分和传导热量的辅助结构将会对残余应力产生十分重要却难以预测的影响。运动自由度较高的区域具有较低的残余应力,而限制运动的区域具有较高的残余应力。在本例中,成品部件并未达到制造公差要求,因为残余应力在x与y平面导致多处变形,而且在z平面导致延伸。

Croft工程师过去一直依靠试错法,以确定如何改变部件定向、支撑结构、机器参数、材料规范以及组件设计方案来满足制造公差。采用这种方法一般需要四个星期的时间才能获得令人满意的部件,而且要消耗大量资源(包括工程时间)才能生成新的设计迭代。另外在增材制造系统上需要花费更多的打印时间,而且制造额外的原型需要更多的金属粉末材料。

“Croft过滤器的解决时间和原型构建费用减少了50%。”

采用仿真解决增材制造问题

在本项目中,仿真实现了一种更快速而且更低成本的方法。Croft工程师把原始STL文件上传到了Additive PrintAdditive Print提供了图形可视化功能,以反映整个构建部件上的逐层应力积累和高应变区域。软件预测了构建部件的变形与残余应力,包括显示了原始几何结构、未变形几何结 构、最终变形几何结构之间以及从支撑移除前后的差异。这些结果提供了通过其他方式无法获得的诊断信息。

仿真结果显示,变形主要是由于高强度顶部部件(固体环),其在滤网的较薄弱上层部分引起了残余应力。工程师通过仿真带和不带顶部部件的过滤器,对这种假设进行了测试。如果没有顶部部件,则结果显示没有任何变形。Croft工程师制造了无顶部部件以证实这些发现,而结果与仿真相匹配。顶环是保持部件结构完整性的重要组件,但是工程师发现它在制造过程中会产生变形,这个信息对于设计过程非常宝贵。

满足设计规范

Croft工程师尝试为滤网增加支架。这些支架与顶环连接,以提高过滤器顶部滤网区域的强度。他们尝试采用两种螺旋支架几何结构,旨在避免限制流体而且不增加太多的材料和制造时间。此外,他们把入口的形状改变成五边形,以增加入口面积,同时保持孔口自支撑和减少所需的支撑材料。当他们仿真新设计时,结果证明变形得到大幅改善,但是仍然不符合此产品要求。

工程师然后使用了 Additive Print中的自动补偿功能,其可以调节几何结构,以补偿变形。此功能使部件壁面向变形的相反方向移动,以实现原始设计几何结构。他们仿真了变形补偿模型,发现变形被过度补偿,从而导致了与原始几何结构中发现的变形方向相反的少量变形。因此,他们使用Additive Print创建了新的几何结构,并将变形补偿比例设置为原始数值的0.75、0.50和0.25。所有这些模型的仿真结果仍然显示变形补偿不足。工程师最后创建了变形补偿比例为0.90的模型。此设计几乎消除了变形,而且满足设计规范的要求。

增材制造技术使企业能够打印出传统减材制造方法无法生产或者制造成本非常高的部件。但是,努力把增材制造融入现实制造工艺的企业往往需要实施多次试错过程,才能顺利生产出高保真度部件。仿真可以指导工程师顺利创建部件和过程,而费用和研发周期仅为试错方法所需的几分之一。Croft工程师仿真了增材制造过程,以确定最佳部件设计和机器工艺参数,同时最大限度减少物理原型数量。此部件的设计已经完成,并准备用于产品投放。

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