塑造未来

作者: Brent Stucker,ANSYS增材制造总监

增材制造自30年前问世以来,经历了漫长的发展过程,不但抓住了公众的想象力,而且还成功引起了制造商日益浓厚的兴趣。但是,这种技术仍具有众多未实现的潜能,而仿真技术在发掘其潜能的过程中将起到至关重要的作用。

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metal additive manufacturing

25年前,在我读博士期间,担负的任务是针对一种名为增材制造(AM)的全新理念研究相关材料和生产概念。我的朋友或家人都对我的工作不甚了解。如今,“3D打印”一词已家喻户晓,我也不用再逢人就得解释自己的工作内容了。2017年,金属3D打印机的销量增长了80%,增材制造的热潮势不可挡。

不过,虽然有几家先驱公司在利用AM的强大功能实现部件的大规模生产,但增材制造的大部分潜能仍未实现。

实际原因有几个:设备与材料的成本如此之高,让许多企业望而却步;刚刚投资AM技术的企业在设计产品和定义机器参数时无所适从,而且业界也缺少具有AM经验的专业人士;打印错误不但代价高昂而且耗时,而这一切对于那些努力紧跟趋势的企业来说可谓司空见惯。

additive manufacturing

图片来源:匹兹堡大学Albert To博士

 

仿真:让愿景变为现实

我认为工程仿真将能够使越来越多的企业实现低成本的3D打印。这正是我当时加盟ANSYS的原因。

在当今众多企业看来,AM需要成本高昂的试错过程,而仿真则可显著减少这个过程。企业无需在试验操作中冒着风险浪费昂贵的粉末以及宝贵的设备容量与研发时间,而是在启动AM机器之前就可以预测打印操作结果。他们能在虚拟环境中确定热或结构应力区域,并修改设计方案,从而消除打印过程中的实际变形。它将发挥改变行业格局的作用。

材料科学家借助仿真,不仅可测试材料成分,而且还能针对实际产品用途以及3D打印的物理环境对材料进行微调。分析人员同样能够预测产品的性能,包括承受生产应力和面对实际操作环境时的几何变形。

在设计方案投产之后,产品设计人员和机器操作员可以采用仿真进行调整,以最大限度改善打印结果。不仅可将生产意外减至最少,而且也能相应降低风险,从而轻松可靠地发挥增材制造的优势。

“ 增材制造的大部分潜能仍未实现。”

例证:部件合并

仿真究竟如何帮助实现目标?我们可以看一下部件合并的潜力。关于3D打印的许多新闻重点讨论了这种技术能够制造单个合并部件,而不用单独制造比如12个部件,然后再通过机械方式把它们连接在一起。

大家谈论最多的例子可能是GE用于喷气式发动机的革命性单部件喷嘴,不过目前许多企业也在探索这种理念,希望借助增材制造技术生产单个高度复杂的形状。部件合并不但可以节约数百万美元的生产与材料成本,而且还可通过降低总重量、消除脆弱物理接点和避免系统集成问题来显著提高产品性能。

不过,对工程师而言,部件合并是一种高风险任务。单部件几何结构必然很复杂,一般会包含复杂的拓扑结构、内部支撑的复杂晶格以及材料成分中的全新微结构。他们通常需要在实际打印过程中采用定制框架(支撑结构)来确保结构完整性。

设计这些部件、构建支撑结构、使其承受AM的严格考验,假如这一切顺利,那么还需进行物理测试,这是每一个步骤都具有高复杂性和高失败风险的过程。借助仿真,部件合并从一个无法实现的梦想变成现实⸺因为所有上述操作都是在无风险、低成本的虚拟设计空间进行。

ANSYS:普及增材制造

目前,金属3D打印被视为少数精英企业的专属领地,而在企业抢夺技能人才以开展增材制造工作的过程中,业界对AM专业技能的需求与日俱增。

利用完整系列的AM仿真解决方案,ANSYS能够让企业员工成为3D打印专家,从而使小型公司等在内的更多企业发挥这种技术的优势。

无论从材料科学家、物理场分析专家还是到车间机器操作员,ANSYS始终致力于实现AM仿真的普及,让3D打印走进每一家企业。这是我们秉承的理念,因为我们坚信,仿真技术将为企业和行业普及增材制造铺平道路的最后一程。作为ANSYS增材制造总监,我在AM领域以及在全球普及AM方面积累了25年经验,对此我倍感荣幸。我希望让未来的设计人员、工程师和创造者能够利用仿真技术将AM提升到前所未有的高度。

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