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數(shù)值分析方法在增材制造工藝中的應(yīng)用

供稿人:同治強(qiáng) 李滌塵 劉亞雄   發(fā)布日期:2017-05-29

增材制造技術(shù),特別是金屬增材制造技術(shù)被認(rèn)為存在以下風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn):缺乏對(duì)各種“假設(shè)”情況進(jìn)行指導(dǎo)的分析過(guò)程;對(duì)影響材料特性的可變因素所進(jìn)行的研究不夠深入;機(jī)器、工藝控制參數(shù)波動(dòng)大,影響增材制造零件的質(zhì)量;不同廠商、批次的材料特性不一致等。所以更多情況下,金屬增材制造更像是一個(gè)試錯(cuò)的過(guò)程。

Simufact Engineering公司(著名的數(shù)值分析軟件MSC Software公司下屬子公司),近日發(fā)布了Simufact Addtive 2 軟件,它是MSC 軟件公司用于金屬工藝制造領(lǐng)域的仿真分析旗艦產(chǎn)品,為解決上述問題提供了一種思路。

Simufact Addtive 2 軟件通過(guò)新算法和更合理的流程,仿真金屬增材制造過(guò)程中的虛擬制造工藝,提升制造高質(zhì)量金屬零件的可靠性?;陔A段性模型提供的多尺度建模方法,同時(shí)考慮到各向異性材料的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),該數(shù)值模擬方案的效果已經(jīng)在金屬粉末床打印工藝上得到了有效驗(yàn)證。

它的創(chuàng)新之處在于,覆蓋了增材制造的全部流程,如圖1所示,包括幾何結(jié)構(gòu)分析、支撐添加、打印過(guò)程仿真、后處理(熱等靜壓HIP)、支撐去除、基板分離等全部影響打印質(zhì)量的環(huán)節(jié),并且通過(guò)在軟件中不斷迭代,代替了昂貴的工藝試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。

圖1:Simufact Additive 2全流程覆蓋與軟件試錯(cuò)

設(shè)備、材料、零件的形狀特點(diǎn)、打印工藝參數(shù)是千變?nèi)f化的,為了提高數(shù)值分析預(yù)測(cè)的精度,軟件利用標(biāo)準(zhǔn)試樣(例如一個(gè)懸臂梁)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。矯正后的算法能夠更加精確地預(yù)測(cè)變形零件,而且也提供了一個(gè)快速可信任的復(fù)雜零件增材制造仿真方法,圖2左圖所示。

圖2:Simufact軟件新功能

零件的擺放、打印方向是影響打印質(zhì)量的重要因素,軟件通過(guò)交互方式以及步進(jìn)迭代方式對(duì)零件的打印方向進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí),具備支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能,如圖2右圖所示。生成的支撐結(jié)構(gòu)不僅僅保證零件的可打印性,而且通過(guò)各向異性材料建模,軟件可以更真實(shí)的模擬支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,使得支撐結(jié)構(gòu)滿足精度約束需求。通過(guò)合理粗化網(wǎng)格大小,在保證計(jì)算精度的前提下縮短計(jì)算時(shí)間。

通過(guò)數(shù)值仿真預(yù)測(cè)零件內(nèi)應(yīng)力和變形后,可以通過(guò)在仿真軟件中不斷迭代更新優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和打印參數(shù),以減少應(yīng)力和變形。另外,也可利用預(yù)測(cè)得到的變形量對(duì)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償,以抵消最終的應(yīng)力變形,如圖3所示。

圖3:利用FEA分析結(jié)果和預(yù)變形策略補(bǔ)償零件變形

在增材制造領(lǐng)域推廣并應(yīng)用數(shù)值分析方法,有利于提高工藝過(guò)程的穩(wěn)定性和可重復(fù)性,使得最終制造質(zhì)量可預(yù)測(cè)并降低制造成本,有助于增材制造技術(shù)從新興技術(shù)成長(zhǎng)為成熟的制造方案。

參考文獻(xiàn):

  1. Simufact Additive 2 - Optimization of Process Chains for Metal Additive Manufacturing Simulation. https://www.simufact.com/news-detail/simufact-additive-2-optimization-of-process-chains-for-metal-additive-manufacturing-simulation.html
  2. KELLER N, PLOSHIKHIN V. New method for fast predictions of residual stress and distortion of AM parts. Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas. 2014: 1229–1237.
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