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增材制造:仿真前沿技术“问与答”

2019-04-16 09:00      点击:
3D打印技术有望同时为工程与生产带来变革。由于能够把数字设计方案快速转变成实际产品,增材制造可以实现大规模定制并快速响应产品开发。但是高昂的材料成本要求产品研发人员每次都能够一次成功,完成最佳的设计方案。
       Q:到底什么是增材制造?另外,业界为什么对它如此感兴趣?
A: 增材制造是一种通过逐层构造而生产三维部件的技术。该技术由于不断增加材料层而得名,刚好与某些其他生产工艺的过程相反。之所以被称为3D打印,因为它需要把数字设计方案发送到机器,后者可以快速制造产品。

增材制造一开始是用于快速制作原型,但是,由于具有众多超出传统工艺的优势,因此它作为一种新的生产形式得到了更广泛的普及。显然,它能够帮助企业把数字文件迅速转变为成品。不过它也能生产极其复杂的形状,以及满足特定客户需求的“一次性”设计。与此同时,客户还有望研发出高度定制的材料混合物,以实现预期的性能特征。

Q:目前金属增材制造的应用范围有多广?未来的潜力有多大?
A:目前,率先采用金属增材制造的企业通常拥有高度复杂、需要承受极端工况的部件,如:航空航天企业。增材制造的进入门槛很高,因为需要购置非常昂贵的新生产设备。生产人员需要掌握新的专业知识。另外生产失败会导致巨大风险,因为金属粉末和其他3D打印材料的成本很高。

因此,这就是为什么航空航天等行业在金属增材制造方面一路领先,他们从该技术中获得的相关利益让他们值得克服上述挑战。

Q:工程仿真对于解决高成本和高风险有什么作用?
A:当你考虑这些高成本和高风险的挑战时,需要认识到工程仿真对于那些希望探索增材制造战略的公司意义重大。其意义在于,仿真经过40多年的验证,能够最大限度提高确定性和降低风险。利用仿真技术,企业在象征性地按下“打印”按钮之前,即可预测某个数字设计是否能够成功制造。

仿真的魅力在于它能够分析整个增材制造过程⸺从最早期的设计到成品。企业不但可以依赖传统仿真工具,以确保最终产品满足性能标准,而且他们现在还可以借助新的过程仿真解决方案模拟生产过程。他们能够回答这些关键问题,如:“我应该把设计发送到哪台机器?”,以及“哪种材料微结构非常适合这个设计方案?”

          Q:仿真技术如何帮助那些刚开始探索增材制造的企业?
A:利用仿真技术来优化关键产品特征,而现在专业工具可以针对新的增材制造环境优化设计方案。可以逐层查看变形与应力。可以研究部件容差与构建失效,这些是增材制造的主要风险。通过增材制造技术生产的部件的特性与铸造或锻造部件的特性大相径庭,而仿真可以帮助了解和解决这些关键差异。

虽然增材制造仿真是一门新技术,但是它与仿真一直以来所提供的价值定位相契合:最大限度降低风险,减少时间与成本,以及最大限度提高产品创新。
         
Q:有哪些具体的仿真功能可以适用于增材制造工艺?
A:有一些适用于增材制造的仿真功能已经广泛用于解决传统的产品研发挑战。例如,数十年来工程师一直在仿真不同的材料成分。他们过去一直在优化产品拓扑以及处理几何结构,以便同时优化生产过程和实际性能。他们过去一直在进行热与结构分析。工程师过去需要研究部件形状、变形与应力。现在令人振奋的是,新的专业工具可以根据增材制造(3D打印)的独特条件而考虑所有这些方面。增材制造意味着包括金属粉末在内的新材料、新设计、新生产工作流程和新的物理约束条件。不过,通过提供新一代解决方案以作为我们传统软件包的功能扩展,ANSYS让这些变革变得易如反掌。  

全新的软件工具专门用于优化工程师的设计方案,从而在当今的先进增材制造设备上进行生产。ANSYS首次研发了专门用于机器操作员的仿真软件。这些生产专家可以在虚拟环境中准确构建设计,从而能够确信特定产品几何结构能够在特定增材制造设备上成功打印。该软件可以和传统设计软件交互,可以独立运行,也可以作为ANSYS技术平台的组成部分运行,从而确保能够形成闭环设计构建循环,最大限度地提高成功几率和减少失败       

ANSYS正在与行业领先的工程和科学技术公司Renishaw合作,旨在研究仿真技术如何有效预测增材制造(AM)过程中的残余应力。经过ANSYS Additive Print预测,这些非常精密的涡轮机叶尖(每个只有1.3毫米左右)在AM过程中会由于较高的热应力而产生变形。(红色区域代表高应力区域。)仿真使设计人员和机器操作员能够调整部件几何结构或者机器参数,以尽可能降低代价高昂的打印错误的风险。

对于单个涡轮叶片,ANSYS Additive Print经过验证,其能够非常准确地预测AM过程中的变形,与实际打印过程十分匹配。通过变形补偿,最终部件与预期的几何结构非常接近。如果没有补偿,部件应该被视为一次失败的构建,从而浪费时间、设备产能和材料成本。ANSYS预计,对于涡轮机等复杂的几何结构而言,单次打印失败有可能浪费数万美元。

         
Q:企业如何开始采用增材制造战略?
A: 最常见的误区之一是增材制造属于“全有或全无”的价值定位。只有少数产品从头至尾都是采用增材制造进行生产。相反,主要部件进行3D打印,然后与传统方式生产的组件一起装配成兼具两者优势的产品。因此,传统制造商一开始会提出这样的问题,“我们的产品中有哪些部件适用于增材制造?”它们可能是具有复杂几何结构、需要承受特殊应力或者需要高度定制的部件。

增材制造应当作为包含传统制造功能的更大规模产品研发与制造战略的组成部分,从而发挥战略作用。

企业应当开始增加专门针对增材制造研发的、能够与现有仿真产品组合无缝集成的仿真功能。他们应当向ANSYS这样具有丰富经验的合作伙伴合作,咨询如何针对性地借助仿真技术、以较低风险和投资进入增材制造领域。

虽然增材制造是一种相对较新的技术, 但是业界已经存在最佳实践。ANSYS已经与最早期的采用者开展合作,而且可以帮助新的采用者实施这些实践,并最大限度地发挥其业务模式的优势

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