增材制造技术解决方案
MSC 软件公司是全球工程生命周期管理的领军者,MSC 愿与您分享部件和总装件的增材制造相关的 仿真经验及专业知识 MSC 软件与许多行业合作伙伴协作, 开发出了一整套工具, 可应对增材制造中的设计挑战和工艺优化 其目标是 : 在产品制作和仿真过程中提供重要组成部分的确切定义 首选的顺序 / 流程, 明确对数据模型 / 结果的辨别, 以及与控制过程无缝集成的工具 还可以利用所有的存储数据来指导全新产品的研发工作以及新技术的开发 本白皮书主要面向两类读者 : 通过运用先进的 CAE 工具和技术参与管理设计和分析工作的各个阶段的工程经理和 CAE 经理 参与日常产品生命周期工作 ( 设计 / 开发 / CAE / 样机制作与试验 ), 并有意通过运用先进的仿真技术来提高部件 / 总成最终制造质量的 CAE/ 设计 / 制造工艺工程师 2
索引 概要 4 增材制造工艺 5 增材与减材制造对比 5 增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战 5 增材制造从设计到生产的工作流程 6 MSC 软件的应用 : 增材制造点对点的仿真框架 6 增材制造框架分析组件. 7 结束语 13 关于 MSC 软件 14 关注 MSC 官方微信了解 MSC 最新技术 3
概要 从历史上看, 传统的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的原材料转变为成品 这些技术采用沿用已久的设计 / 加工方法 工装 设备 ( 例如铸造车间 车床 CNC 等 ) 生产活动及步骤 全球主要增材制造市场单位为百万美元, 另有说明的除外 服务与部件直接部件材料系统 资料来源 : 瑞士信贷银行估值 图 3(a): 全球主要增材制造市场 全球增材制造市场包括 3D 打印机 材料及服务提供商 其应用领域面向快速样机构建及快速制造 到 2020 年, 整个市场 ( 不包括材料 ) 的价值有望达到 114 亿美元 ; 预计 2016 至 2020 年间, 年增长率将达到 21.0% 图 3 (a) 和图 3(b) 展示了全球增材制造市场及主要行业分布 增材制造的主要行业分布 汽车 消费品 图 1: 传统制造 商用机械 医疗 学术航空航天军事 / 政府其他 图 3(b): 采用增材制造技术的行业 美国材料与试验协会 (ASTM) 国际委员会 F42 委员会所设立的标准在采用增材制造技术时发挥着重要作用 美国材料与试验协会所设立的标准专门面向材料 工艺 技术 设计 数据格式及试验方法 在优质增材制造部件的生产过程中, 这些标准已被证明有所不足 增材制造技术面临着从设计到生产阶段的众多挑战 部件制造企业和领先的增材制造研究人员已将以下因素确定为造成增材制造产品设计及售后性能不佳的一些关键指标 1. 缺乏对各种 假设 情况进行指导的分析 ( 仿真 ) 过程 ; 图 2: 增材制造增材制造 (AM) 是对传统制造方法的伟大变革, 俗称 3D 打印 增材制造作为一种现代化的制造技术, 它可以基于计算机辅助设计 (CAD) 模型逐层制作出三维 (3D) 物体 图 1 和图 2 展示了这两种类型的制造工艺 2. 对影响材料特性的制造 可变因素所进行的研究不够准确 ; 3. 机器 / 工艺控制参数变化范围大, 影响增材制造部件的质量 MSC 软件与许多行业合作伙伴协作, 开发出了一种框架和工具套件, 可应对各种设计挑战和工艺优化 MSC 的目标是使产品设计师和工程师能从增材制造技术将在未来发挥出的潜力中全面受益 4
增材制造工艺 部件制造企业在 1980 年代和 1990 年代曾经极其完美地对快速样机建造 (RP) 技术进行了实验并实现了商业化 借助这些技术, 可通过 3D 计算机辅助设计来制作实物部件或总成的比例模型 最终导致快速模具制造 (RT) 的出现, 即直接利用快速样机工艺来生产模具 增材制造与减材制造对比 澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造重点技术主管 Swee Mak 博士在 2014 年 6 月 4 日的 Hunter 研究基金会会议上展示了图 4(b) 他提出 : 采用增材制造方法对一整块成品材料进行加工以制造出最终产品, 与传统的减材制造方法相比, 不仅速度快 能耗低, 而且减少了废料 二十世纪末, 制造技术的发展产生了对新类别工艺 ( 即 增材制造 ) 的需求 2016 年 3 月 3 日, 在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的 SHIPTECH 2016 会议中,Concurrent Technologies 公司的 Kenneth Sabo 介绍了增材制造工艺的优势与挑战 表 1 给出了增材制造工艺的优势 / 挑战概览 优势 挑战 1. 小批量的需求 1. 对机器 / 工艺材料进行鉴定 2. 无需模具 无需安装设置 2. 所有机器 / 建造之间保持一致 3. 复杂几何形状的设计 3. 具有成本效益的逻辑解决方案 4. 定制装配部件 4. 创新的工艺控制 5. 强度高于锻件 / 铸件 5. 延展性低于锻件 / 铸件 6. 非常适合于样机 6. 必须控制变形量 表 1: 增材制造工艺的优势 / 挑战增材制造技术通常应用于以下产品 图 4(a) 展示了采用增材制造技术生产的样件 医疗植入物 ; 模具制造 ; 通过拓扑优化减轻重量 ; 支架 / 工具 / 夹具 ; 图案 ; 图 4(b): 增材与减材制造对比在增材制造领域, 能够制作出全新水准的几何形状复杂的物体, 这使得采用常规制造方法无法完成或者代价极高的功能性设计成为可能 将增材制造应用于金属或塑料部件的生产, 可实现新颖 轻量化的设计, 并有可能只需较少的部件 增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战 过去 25 年间, 增材制造技术突飞猛进 但是, 与材料 设备 机器 / 工艺变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件需要考虑的主要因素 Concurrent 技术公司 (CTC) 总监 Kenneth Sabo 先生在 ShipTech 2016 年会上发表演讲并对 CTC 的研究进行了总结 图 5 展示了增材制造从设计到生产阶段的各种挑战 定制总成配件 ; 小批量生产 形态尺寸 形状 化学成分 可循环性 稳定性 分布 参数功率 速度 环境 稳定性 标定 设置 二级 表面加工 热处理 热等静压 机加工 清洁 检验 性能 强度 疲劳 磨损 安全性 认证 鉴定 应用 设计 材料 增材制造 工艺 后处理接合 / 重复迁移 部件类型 优化 部件精简 修复 新颖设计 特性 自由复杂度 增材制造技术 电子束粉 / 丝 激光净成形 激光粉床 超声波 冷喷 喷射粘结剂 三级 修复 接合 辅助工艺 图 5: 增材制造从设计到生产阶段的各种挑战 从设计到生产阶段的各种挑战包括材料特征化 打印机鉴定及工艺变化 图 4(a):GE Leap 发动机燃料喷嘴 材料特征化 : 当前, 增材制造部件生产者还未拥有材料属性数据的中心资料库 行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案, 除非可以 记录 / 分类保存可用材料的材料属性数据 需要研究 / 记录选定部件的增 材制造材料能力 ( 例如与构建方向 拉伸强度 屈服强度 环境考虑 断裂韧度等有关的材料属性 ), 并提供给所有厂家 如果不能得到增材 制造部件的材料属性, 工程师 / 设计师就无法将增材制造视为成熟的制造 方法 5
工艺变化 : 现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性 有时粉末会出现高达 85% 的废品率 需要开发出创新的方法, 以改进早期的缺陷 检测 良好的工艺控制可缩短机器停工时间, 这也是当前许多机器和工 艺遇到的主要问题 打印机鉴定 : 值得注意的是机器间以及部件间的可重复性 需要对部件布局 ( 基于打印机的性能对部件放置 打印方向以及打印角度 ) 进行精 调 需要通过统计分析来估算与打印方向 / 方位有关的材料强度 需要进 行一系列的 假设 研究, 以便了解深层次的变化 大多数大中型美国制造商都要日复一日地处理上述难题 他们提到的一些关注 点如下 : 1. 增材制造能否生产出轻量化 高性价比的优质产品? 2. 采用增材制造技术是否是明智之举? 3. 我应当对物流 / 供应商提出哪些建议? 4. 什么是关键变量的灵敏度矩阵? 5. 表面为何会过于粗糙或过于精细? 6. 粉末废品率为何会如此之高? 第 5 步到第 8 步 : 提取样品 进行测量及测试 根据机器的类型以及几何形体的复杂程度, 打印出给定的 3D 部件有可能需 要数小时 部件打印完毕后, 对其进行测量 拉伸试验并检查表面粗糙度 所 有的数据都被记录到图表中, 并进行敏感度研究和统计分析, 以便指导下一批 次的设计 / 打印过程 第 1 步第 2 步第 3 步第 4 步输入到 CAD 文件 STL 文件在三维打印 Catalyst 软件中机中打印 第 8 步第 7 步第 6 步第 5 步 将数据记录 到图表中 图 6: 标准增材制造工作流程 现在有许多商用 3D 打印机制造商 典型的 3D 打印机如图 7 所示 典型的 构建托盘和打印头如图 8 所示 测试样品测量样品取样 增材制造从设计到生产的工作流程 增材制造是根据计算机辅助设计 (CAD) 来生产三维物体的过程 在增材过程中, 通过分层连续铺设材料的方式创建物体, 直至打印出整个物体 第 1 步到第 8 步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程 图 6 展示了典型的增材制造工作流程 粉末室 构建托盘 打印头 第 1 步 : 计算机辅助设计 (CAD) 增材制造工作从 CAD 开始 设计师对指定的增材制造部件进行草图绘制 定位 分配材料 着色以及亮面 / 亚光处理, 必要时检查 CAD 模型有无孔洞 基面法线及自交叉等错误, 甚至是重建来提高精度 图 7:MakerBot Replicator 2 型 增材制造设备 图 8: 典型增材制造设备构建托盘 及打印头 第 2 步 : 生成立体光刻 (STL) 文件将托盘中经过设计 模型转换及定位的三维物体存储为一个 STL 格式文件 第 3 步 : 输入到 Catalyst 软件中上一步骤完成后, 将以 STL 格式存储的模型文件导入 Catalyst 软件进行处理, 即将模型转换为一系列薄层 (3D 切片 ), 并针对具体的 3D 打印机类型生成含有打印路径 \ 打印方向等信息的 G 代码文件 第 4 步 : 在三维打印机中打印将 G 代码文件加载到 3D 打印机中 相应的 3D 客户端软件会指示打印机初始化 3D 打印过程 3D 打印机将读取数据, 依照各层的样式在层中铺放并添加连续的液体 粉末 金属板及其他材料, 从而打印出 3D 物体 打印机分辨率以每英寸点数 (dpi) 或微米 (um) 为单位来描述层厚度 (Z 方向 ) 以及 X-Y( 面内的 ) 分辨率 典型的层厚度及 X-Y 分辨率约为 250 DPI, 但有些机器可以打印薄至 1600 DPI 的分辨率 MSC 软件的应用 : 全面的增材制造仿真框架 过去十年间,MSC 软件与各行业协作推出了创新的分析框架, 其中包括先进的多尺度 基于多物理场的分析仿真工具 该框架集 3D 增材制造部件的功能 / 制造约束 成本函数及虚拟仿真于一身, 旨在实现优质的生产能力 Honeywell 公司负责 DARPA 开放式制造计划的首席研究员 Alonso Peralta 于 2016 年提出过如下内容 : 残余应力和变形随着制作条件和制作方式而变化 残余应力并不是等双轴应力 事实证明, 在制作细长结构时, 分析 ( 仿真 ) 预测起着重要作用, 这是由于层间的过度变形会导致无法接受的与预期几何体之间的偏离 6
研究灵敏度矩阵并优化参数, 以提高未来制作的选择标准 预测产品性能 韧性及寿命 增材制造框架分析组件 MSC 软件公司的框架由一组仿真工具组成, 是下一代的企业级可扩展系统 基于网络的直观界面使工程部门能够对材料或部件 / 机器 / 工艺 / 增材制造行为进行虚拟化 该框架可为指定部门的各个相关方提供精确的信息传输 框架 / 工具的重要元素说明如下 : 图 9: 增材制造点对点分析框架 MSC 软件公司的增材制造分析框架展示出具备下列能力 : 管理生命周期各个阶段所有的客户功能需求 ; 存储所有的仿真流程及数据 ( 模型及结果 ); 所有材料属性 工艺及设备 加工 / 制作信息的中心数据库 ; 存储与增材制造部件有关的各种类型的试验及质量控制信息 ; 1. 流程与数据管理 :SimManager 与 MaterialCenter A. SimManager 该系统是一种仿真流程与数据管理系统 (SPDM), 集成了客户应用 商业工具以及内部开发的程序 它拥有可靠的跟踪记录, 每天可管理数百个并发用户运行的数千个仿真及操作 不仅能在企业内部的所有信息孤岛之间安全地共享信息, 还能在整个产品生命周期阶段将信息进一步扩展至供应链网络 将优化出的优质形态传回 CAD 软件进行几何处理, 从而实现最终的制造 ; 将所有的报告存档 图 9 给出了点对点增材制造仿真框架的工作流程 对增材制造工艺进行建模需要各种仿真能力, 以应对热源形态 流体流动 微观结构相变 残余应力, 以及变形 优化形态等 在增材制造工艺仿真中, 工程师 / 设计师可以处理直径 10 至 25 微米级别的颗粒 长 40 至 80 mm 的物体以及长达一千米的激光路径 尽管热源只保持数微秒的接触时间, 但整个制作过程有可能历时数天 可将框架内仿真工具包 ( 解决方案集 ) 的全部能力细分为两个类别 : 1. 增材制造打印之前 图 10(a): 仿真流程与数据的管理 搜索数千种材料及相关属性的数据库, 选择能达到最优设计的材料类型 采集并存储用于下一次打印的材料 对制造方法 能量输入 速度 材料沉积 打印路径 热处理 微观结构 残余应力及机械性能进行仿真 部件设计的自动优化, 其中包括考虑制造的性能及重量 对打印机参数进行优化, 用于重复生产 图 10(b): 跟踪所有变量的目标和要求 2. 增材制造打印之后 对输出进行分析, 以便更加透彻地了解哪些参数导致最终变形 图 10(c): 两组材料之间的差异 7
图 10(a) 所示为对虚拟域中的仿真流程及 3D 增材制造部件数据的管理 图 10(b) 所示为跟踪所有变量的目标及要求 图 10(c) 所示为两组材料之间的差异 B.MaterialCenter MaterialCenter 是面向现在和将来材料数据及过程管理需求的完整解决方案 它能管理从实物试验到各种设计许用值的整个材料流程 ( 整体工艺管理 自动可追溯性 强大的工作流以及批准流程等 ) 图 11(a) 给出了 MaterialCenter 的工作流程 8. 生成打印设备鉴定方案和控制库 ; 9. 通过集成的有限元分析解算器 (MSC Digimat) 对材料属性进行逆向工程分析 ; 10. 利用所有的存储数据来指导即将进行的研发工作以及未来的方法开发 工程师的任务 待测试材料测试已测试上游工程应用 任务自动管理 流程管理 从客户需求到 增材制造 实施 图 12:MaterialCenter 中的增材制造工作流程管理 图 11(a):MaterialCenter 工作流程 MaterialCenter 可通过 MaterialCenter 实现标准的增材制造工作流程 ( 从客户需求导入到管理所有任务均为自动模式, 最终将报告反馈给客户 ) 据行业客户报告称, 在利用 MaterialCenter 来管理增材制造流程时, 投资回报率 (ROI) 可超过 40% 图 12 所示为 MaterialCenter 环境中的增材制造工作流程管理 增材 制造 下一代材料生命 周期管理系统 MaterialCenter 的增材制造示意图源自在宾夕法尼亚州立大学和美国军方所进行的多年合作研究 其中包括金属 / 非金属 / 塑料的增材制造过程 可将该系统当作制造属性 / 打印设备以及流程鉴定参数的资料库 内置模板可构建或导入材料 / 打印设备 / 工艺 / 试验数据 可利用 Excel 集成来映射并导入用于增材制造及各种试验方法的定制模板 例如 : 增材制造电子束沉积 ( 送粉 / 送丝 ); 增材制造定向激光束沉积 ( 送粉 / 送丝 ); 增材制造粉床熔融 ( 铺粉 ); 增材制造熔融沉积造型 ; 各种拉伸试验 ( 断裂韧度 K1C); 图 11(b): 下一代材料生命周期管理系统的生态系统和集成接触点 MaterialCenter 在设计上还能通过采用 ICME( 集成计算材料工程 ) 和虚拟许用值来应对下一代需求 系统内置有 2500 种材料及其相关属性的数据库 数据库中有 10% 的材料为塑料 图 11(b) 所示为 MaterialCenter 的生态系统 各种硬度试验 ( 夏氏冲击 ) 图 13 所示为基于激光粉床熔融 ( 铺粉 ) 模板示例 它能自动采集结果用于对比 置信度评估及认证 这些结果在 MaterialCenter 有完整的可追溯性, 将增材制造带入了新的高度 它还提供了全面的工作流程工具, 能够采集从概念设计到最终构建阶段的每一步制造流程中的信息 这种基于网络的高级工具拥有以下优势 : 1. 从客户到工程 / 制造的工作流程管理 ; 2. CAD/STL 信息数据库 ; 3. 所有的环境 / 制造条件记录 ; 4. 所有的打印设备 / 工艺 / 构建参数资料库 ; 5. 样品统计分析, 对打印设备 / 工艺参数进行 假设 研究 ; 6. 材料 / 打印设备 / 工艺 / 样机构建及试验操作的谱系信息 ; 7. 开发预测部件行为的模型, 以便量化部件性能 ( 刚度 强度及寿命 ); 8 图 13:MaterialCenter 中的增材制造 ( 激光粉床熔融模板示例 ) 工作流程管理
MaterialCenter 内置的分析器会进行各种形式的统计分析, 使打印设备 / 过程鉴定更加完善 图 14(a) 和图 14(b) 示意了对增材制造数据的追踪分析及后处理 以下列出了其中的一部分分析功能 : 1. 计算平均质量 厚度 峰值负载 峰值应力 断裂应变及模量 ; 2. A 中列出了所有参数的标准偏差 ; 3. 生成特性曲线 : 峰值负载与充填百分比 峰值应力与充填百分比 模量与充填百分比 峰值应力与质量 4. 动态数据分析流程减少了的步骤 ; 5. 序列过程自动化 ; 6. 可通过 Python JAVA MATLAB 或第三方 CAE 软件对自定义归算法进行集成 微结构仿真软件 PCL 文件 MSC Patran 前处理 MSC Patran 后处理 图 15: 微观结构建模及分析流程 图 14(a): MaterialCenter 中的数据分析 / 后处理 MaterialCenter 3. MSC 分析工具 :Simufact Additive Simufact Welding Digimat Marc Nastran 及 Fatigue 可利用 MSC 的分析工具 (Simufact Additive Simufact Welding Marc Digimat Nastran 及 Fatigue) 在 3D 增材制造部件的各个生命周期阶段 ( 从 概念到维护 ) 进行各种形式的仿真工作 通过一系列的仿真及 假设 研究得 到最优的设计形状及尺寸, 并将信息传回 CAD 系统进行后续处理 下文给出 了上述各软件的具体应用 A. Simufact Additive Simufact Welding: Simufact 系列产品是 MSC 软件公司用于金属工艺制造领域的仿真分析旗舰 产品 它能仿真金属增材制造过程中的虚拟制造工艺 基于阶段性模型提供多 尺度方法, 同时考虑到柔性材料的数据结构 它充分利用了 Marc 的求解器 的先进技术, 并可为建模 求解及结果查看提供统一的平台 图 16(a) 和 (b) 详细说明了业内广泛使用的增材制造工艺以及 Simufact Additive Simufact Welding 的主要应用 图 16(c) 给出了粉床熔融室示意 图 广泛使用的增材制造工艺 分析脚本 图 14(b): MaterialCenter 的增材制造材料 / 机器设备 / 工艺数据统计分析 2. 有限元 (FE) 前 \ 后处理 : Patran 和 MSC Apex MSC 公司在业内领先的前 \ 后处理器 Patran 和 Apex 可读取来自 CAD 管理专家 ( 例如 PDM 系统 ) 的 3D 增材制造部件的 CAD 数据, 并进行有限元网格生成, 同时为后续分析对部件 / 总成进行必要的边界条件处理, 对分析结果进行可视化的后处理 行业合作伙伴所使用的 MSC Patran/Nastran 工具包, 可根据晶粒尺寸 形状 方位 纹理 空洞 晶界缺陷 多相及体积分数等自动生成 2D/3D 微观结构模型 该工具包能以较高的精度预测分布在每个晶粒中的微观应力及宏观应变 图 15 给出了用于微观结构建模及分析步骤的典型工作流 图 16(a): 广泛使用的增材制造工艺 最常见的粉床熔融 ( 铺粉 ) 打印技术 图 16(b): 粉床熔融 ( 铺粉 ) 技术 9
惰性气体能量源 ( 激光 ) 粉末辊子部件粉末室制作室 支撑 / 支持结构的位置及强度 / 刚度 ; 失效模式预测 ; 支撑结构不足 ; 裂纹萌生 / 裂纹扩展高风险区 ; 制造后的最终形状 最近,Simufact Additive 被领先的增材制造厂商用于航空航天部件的增材制造仿真 在 2016 年 3 月于德国柏林召开的 DDMC 会议中给出了对应的仿真流程及结果 图 18(a) 和 (b) 展示了其中的亮点部分 图 16(c): 粉床熔融 ( 铺粉打印 ) 示意图 展示于 2016 年 3 月 16-17 日在柏林举行的 Fraunhofer DDMC 即 2016 直接数字化制造会议 通常在 Patran 或 Apex 环境中对指定的 3D 增材制造部件 ( 工件 ) 划分网格并进行前处理 用户在 Simufact Additive Simufact Welding 中将边界条件或工艺 材料参数分配给有限元网格 此类参数包括 : 能量输入 ( 耦合 ; 等效热源 ); 打印速度 ; 材料沉积 / 融化速率 ; 打印路径 粉末特性 ; 支撑 / 支持结构 ; 热处理 ; 制造方法 ( 通过输入参数间接对应 ; 铺粉 / 送粉 / 送丝 ) 采用规则的像素 (Voxel) 网格替代不规则的有限元网格 实现网格快速划分 能表征任何复杂结构 规则的网格结构具有加速潜力 提供多尺度计算方法 : 微观 ( 类似焊接 ) 等效热源模型 完全瞬态热 - 结构耦合 较高的求解精度 细观 基于固有应变方法或热循环法 简化算法 宏观 层积模型 ( 基于固有应变方法 ) 求解速度极快图 17:Simufact Additive 采用的多尺度算法 根据所需的结果,Simufact Additive 提供了多种计算方法可供选择 包括基于 固有应变方法的宏观算法用于快速仿真, 以预测整体变形及残余应力 微观级 别的详细研究是包含移动热源和金相模型的瞬态热 - 结构耦合仿真 Simufact Additive 在同一环境中将所有的仿真方法无缝地整合在一起, 不同方法可以进 行交替互换, 无需针对不同计算方法切换到不同的界面或模块中进行重新建 模 典型的解算方法如图 17 所示 Simufact Additive 仿真的目标结果如下 : 制作过程中的变形及残余应力 ; 微观结构 ( 金相和晶粒尺寸 ); 几何及尺寸 切断基板, 由残余应力释放变形 高度 :64.5 mm 宽度 :65.0 mm 长度 :160.8 mm 图 18(a): Simufact Additive 模拟增材制造过程的亮点 实测 3D 打印后部件最大变形量为 2.28 mm 将固有应变 ( 来自悬臂梁结构实测结果 ) 应用到更大 更复杂 的结构上 单元尺寸为 1.0 mm 70+1 个增量步 计算时间 40 分钟 (Intel Xeon 3.2 GHz, 八核 ) 确定优化潜力, 假定加速系数为 2-5 采集常规变形模式 仿真预测的最大变形量为 2.00 mm 误差为正常数量级 图 18(b): Simufact Additive 模拟增材制造过程的亮点 Simufact Additive Simufact Welding 配备有业界领先的常用增材制造材料 ( 内置 ) 数据库 其中一些金属材料如下 : 1. 钛合金 (TiAl6V4 TiAl6Nb7 及纯钛 ); 2. 钴铬合金类 (CoCrMo); 3. 镍合金 (Inconel 625 718 939) 及哈氏合金 X(Hastalloy); 4. 铝合金 (AlSi10Mg AlSi12 AlSi7Mg AlSi9Cu3); 5. 钢类 (1.2709 17-4PH 15-5PH 316L) B. Digimat: MSC 软件公司的 e-xstream 工程团队在 Digimat 软件包中开发的仿真工 具可用于两种特定的塑料增材制造应用 : 10
1. 选择性激光烧结 (SLS); 2. 熔融沉积建模 (FDM) 如图 19(a) 所示 加速性 (DDM 性能 ); 直接的层及单元激活 ( 生死单元技术 ); 直接激光扫描路径设置及参数设置 ; 温度相关的热 - 结构耦合能力及塑性模型 ; 瞬态的热 - 结构耦合分析 最近,Marc 对德国不来梅大学的 ( 航空航天用 ) 钛结构增材制造的热结构行为进行了仿真 研究团队的主要关注点是研究增材制造过程中的热传递以及残余应力的分布和大小 该团队在图 20(a) (b) 和 (c) 中给出了其假设条件 / 预测结果 Thermo-mechanical Simulation of Additive Layer Manufactureing of Titanium Aerospace Structures,N.Keller,F. Neugebauer, 2014 不莱梅大学集成仿真 材料与工艺工程空客公司首席教授 选择性激光熔融 系列微观增材制造工艺 结构化六面体网格 图 19(a): 采用 FDM 技术打印角型增材制造部件时的温度场 全球先进聚合物解决方案领军厂商 Solvay 公司已在 Polimotor 2 项目中成功地应用了 Digimat 的增材制造仿真工具 该项目旨在用塑料材料替换 Polimotor 2 发动机中多达十个金属部件, 为实现汽车领域的技术性突破开辟道路 采用以 40% 玻璃珠加载进行强化的 Sinterline Technyl 尼龙 6(PA6) 粉末等级, 通过选择性激光烧结 (SLS) 来生产增材制造部件 ( 腔室 ) 使用 Digimat 对多尺度热结构材料的增强塑料进行建模, 然后对分层增材制造进行分析 将静态工作负载边界条件应用到组件上 分析计算预测出轻度变形以及最大可承受压力 9.1 bar 此外还对打印方向进行了优化, 由此最多可增加 40% 的负载而无需对几何进行调整 图 19(b) 所示为部件 变形及临界失效点 图 2: 拓扑优化后的支架有限元分层网格 图 20(a): Marc 中的热 - 结构耦合仿真 热流输入 固有应变方法 图 19(b): 采用 Sinterline 打印 Polymotor 2 Digimat 配备有 10,000 多种材料 ( 增强塑料 ) 属性及微机械分析特征的大型 数据库 这是基于多年的经验积累 实验室协作试验以及由公开渠道获得的认 证过 / 验证过的数据 C. Marc: 出于多种原因, 有限元分析师采用 Marc 非线性算法来研究增材制造工艺 其 中的原因有 : 处理非线性制造工艺的超强能力 ; 固定位移约束图 20(b): Marc 仿真中的边界条件 Marc 的最新应用包括对增材制造部件的切削加工和表面处理进行仿真 D.MSC Nastran 和 Fatigue: 11
ALM 工艺后 铣削处理之后 图 20(c): 由 Marc 仿真模型预测的残余应力 当周期性循环应力出现在增材制造部件的潜在裂纹萌生部位时, 应力历程就显得至关重要 它可以是材料中的任何缺陷或孔洞, 或者是由增材制造工艺所导致 在部件的使用寿命期间损伤会累积 如果损伤增长至超过临界极限, 就会萌生裂纹并将使用寿命缩至最短 通常在远低于强度极限处可观察到疲劳裂纹 可将疲劳加载下增材制造部件的使用寿命分为下列两个领域 : 1. 裂纹萌生 2. 疲劳裂纹扩展下图 21(a) 所示为典型的周期性应力变化 应力幅值围绕平均应力振荡 在相邻峰值间隔对应应力周期 应力周期的数量以及应力幅值决定了结构的疲劳寿命 图 21(c): 增材制造部件样品的疲劳寿命延长可使用 MSC Fatigue 研究增材制造部件的下列疲劳问题 : 1. 高周 (S-N) 与低周 (E-N) 疲劳寿命 ; 2. 采用 Palmgren-Miner 法则进行变形和损伤分析 ; 3. 采用 Paris 定律的裂纹萌生及裂纹扩展 ; 4. 用虚拟应变片进行试验 - 解析比对 ; 5. 采用随机载荷的振动疲劳 ; 6. 非比例多轴应力状态评估 ; 7. 多个并发载荷及多次事件 ; 应力 范围 幅值 8. 安全因子分析 最近对采用增材制造加工的汽车动力传动系组件样品进行了在随机振动载荷下的疲劳寿命计算验证, 其结果如下图 22(a) (b) (c) 及 (d) 所示 时间 ( 秒 ) 图 21(a): 典型负载应力历程 通过采用裂纹生长抑制方法可延长使用寿命 有时可通过制作缺口截面来延长 总使用寿命 通过改变缺口的尺寸 形式 位置及缺口方向来改变应力分布, 从而延长疲劳寿命 德国帕德博恩大学的 Hans Albert Richard 博士及其研究团队于 2015 年指 出, 在裂纹萌生阶段内, 大幅提高负载周期数量 ( 与裂纹扩展阶段的周期数 量相比 ) 可延长使用寿命 图 22(a): 对承受多种输入 ( 随机振动载荷 ) 的增材制造部件的疲劳寿命预测 Richard 博士及其团队针对增材制造部件样品进行了裂纹萌生 / 裂纹扩展研 究, 并在图 21(b) 和 (c) 中总结了其设计推导结果 图 21(b): 改变缺口位置 形式及缺口方向控制疲劳寿命 图 22(b): 未做 UTS 修正的应力寿命预测 12
最近,MSC Nastran 被用于对钛合金材料的航空航天发动机连接接头增材制 造部件进行线性静态及屈曲行为的仿真和拓扑优化 MSC Nastran SOL 200 拓扑优化可将增材制造部件的重量降低 70%, 同时 保持与初始设计相同的静态 ( 应力和变形 ) 及屈曲表现 图 23 所示为初始设 计及优化设计 结束语 在过去 25 年间, 增材制造已从快速样机处理成长为一系列先进技术, 为全球 越来越多的企业 政府机构及个人客户所采用 但它在制作优质部件时始终面 临着难题, 对此可借助一些商业系统来辅助解决所有的缺陷 生成表格并绘制二维 三维结果图 MSC 软件公司的增材制造点对点仿真框架已成为解决增材制造难题的 中坚力量 该系统不仅能应用于增材制造产品整个开发生命周期( 设计 开发 仿真 / 样机构建 试验及售后性能 ) 的各个阶段, 还涵盖了从概念到维护过程中涉及的全部材料 / 机器设备 / 工艺 / 制作鉴定 图 24 概述了该分析框架中增材制造从部件设计到部件性能分析的各个阶段 3D 增材制造部件 CAD 设计 图 22(c) 和 (d): 多种加载条件下周期直方图分布的预测 作为小总成或大总成的一部分, 任何给定的增材制造部件在经过一段时间后都有可能存在配合 / 光洁度 公差及功能性能问题 有限元分析师可对所有此类问题进行仿真, 并使用 MSC 软件公司赫赫有名的分析工具包 MSC Nastran 预测给定增材制造部件的耐用性和噪声 振动及声振粗糙度 可将其用于下列仿真 : 1. 高 Von Mises 应力区及最大变形区 ; 3D 增材制造部件有限元网格 3D 增材制造部件性能 2. 增材制造部件及总成的噪声与振动效应 ; 3. 出现屈曲的区域 ; 图 24: 分析框架中的增材制造各个阶段 4. 拓扑 尺寸和形貌优化 图 23: 航空航天用钛合金增材制造部件的初始设计与优化设计 ( 重量减轻 70%) 13
关于 MSC 软件公司 MSC 软件公司是全球多学科仿真解决方案的领导者, 可帮助众多公司改进质量 节省时间, 同时降低与设计 测试所制造产品有关的成本 MSC 软件公司与世界各地的数千家公司合作, 利用工程仿真技术 软件及服务更快 更好地开发产品 关于 MSC 软件公司的产品与服务的更多信息, 请访问 :www.mscsoftware.com.cn 全球排名前 1000 位的制造商中, 有 900 家使用 MSC 软件公司的产品和服务 这些制造商涵盖了多个行业, 其中包括航天 国防 汽车 运输 农用设备 重型机械 医疗器械 油气 核能 消费产品 可再生能源 包装 电子及造船 MSC 软件公司 ( 北京 ) MSC 软件公司 ( 上海 ) MSC 软件公司 ( 深圳 ) MSC 软件公司 ( 成都 ) MSC 软件公司 ( 台湾 ) Add: 北京市朝阳区望京西路 Add: 上海市延安西路 726 号 Add: 深圳市福田区金田路 Add: 成都市人民南路二段 18 Add: 台北市中山区 甲 50 号卷石天大厦 A 座 华敏翰尊国际广场 12 楼 3038 号现代国际商务大厦 号红照壁川信大厦 林森北路 577 号 14 层 03-06 单元 (100102) E&L(200050) 3108B(518048) 11 层 A-2 座 (610016) 7 楼之 2(104) Tel:010-8260-7000 Tel: 021-6332-6655 Tel: 0755-2381-1895 Tel: 028-8619-9275 Tel: 02-2585-1228 Fax: 010-8260-7478 Fax: 021-6332-1679 Fax: 0755-2381-1896 Fax: 028-8621-9222 Fax: 02-2585-7819 14