增材制造：仿真前沿技術“問與答”

來源： 中潤漢泰

3D打印技術有望同時為工程與生產帶來變革。由于能夠把數字設計方案快速轉變成實際產品，增材制造可以實現大規(guī)模定制并快速響應產品開發(fā)。但是高昂的材料成本要求產品研發(fā)人員每次都能夠一次成功，完成最佳的設計方案。

      

Q：到底什么是增材制造？另外，業(yè)界為什么對它如此感興趣？
A: 增材制造是一種通過逐層構造而生產三維部件的技術。該技術由于不斷增加材料層而得名，剛好與某些其他生產工藝的過程相反。之所以被稱為3D打印，因為它需要把數字設計方案發(fā)送到機器，后者可以快速制造產品。

增材制造一開始是用于快速制作原型，但是，由于具有眾多超出傳統(tǒng)工藝的優(yōu)勢，因此它作為一種新的生產形式得到了更廣泛的普及。顯然，它能夠幫助企業(yè)把數字文件迅速轉變?yōu)槌善贰２贿^它也能生產極其復雜的形狀，以及滿足特定客戶需求的“一次性”設計。與此同時，客戶還有望研發(fā)出高度定制的材料混合物，以實現預期的性能特征。

Q：目前金屬增材制造的應用范圍有多廣？未來的潛力有多大？
A:目前，率先采用金屬增材制造的企業(yè)通常擁有高度復雜、需要承受極端工況的部件，如：航空航天企業(yè)。增材制造的進入門檻很高，因為需要購置非常昂貴的新生產設備。生產人員需要掌握新的專業(yè)知識。另外生產失敗會導致巨大風險，因為金屬粉末和其他3D打印材料的成本很高。

因此，這就是為什么航空航天等行業(yè)在金屬增材制造方面一路領先，他們從該技術中獲得的相關利益讓他們值得克服上述挑戰(zhàn)。

Q：工程仿真對于解決高成本和高風險有什么作用？
A:當你考慮這些高成本和高風險的挑戰(zhàn)時，需要認識到工程仿真對于那些希望探索增材制造戰(zhàn)略的公司意義重大。其意義在于，仿真經過40多年的驗證，能夠最大限度提高確定性和降低風險。利用仿真技術，企業(yè)在象征性地按下“打印”按鈕之前，即可預測某個數字設計是否能夠成功制造。

仿真的魅力在于它能夠分析整個增材制造過程⸺從最早期的設計到成品。企業(yè)不但可以依賴傳統(tǒng)仿真工具，以確保最終產品滿足性能標準，而且他們現在還可以借助新的過程仿真解決方案模擬生產過程。他們能夠回答這些關鍵問題，如：“我應該把設計發(fā)送到哪臺機器？”，以及“哪種材料微結構非常適合這個設計方案？”

         

Q：仿真技術如何幫助那些剛開始探索增材制造的企業(yè)？
A:利用仿真技術來優(yōu)化關鍵產品特征，而現在專業(yè)工具可以針對新的增材制造環(huán)境優(yōu)化設計方案。可以逐層查看變形與應力�？梢匝芯坎考�容差與構建失效，這些是增材制造的主要風險。通過增材制造技術生產的部件的特性與鑄造或鍛造部件的特性大相徑庭，而仿真可以幫助了解和解決這些關鍵差異。

雖然增材制造仿真是一門新技術，但是它與仿真一直以來所提供的價值定位相契合：最大限度降低風險，減少時間與成本，以及最大限度提高產品創(chuàng)新。
         
Q：有哪些具體的仿真功能可以適用于增材制造工藝？
A:有一些適用于增材制造的仿真功能已經廣泛用于解決傳統(tǒng)的產品研發(fā)挑戰(zhàn)。例如，數十年來工程師一直在仿真不同的材料成分。他們過去一直在優(yōu)化產品拓撲以及處理幾何結構，以便同時優(yōu)化生產過程和實際性能。他們過去一直在進行熱與結構分析。工程師過去需要研究部件形狀、變形與應力�，F在令人振奮的是，新的專業(yè)工具可以根據增材制造（3D打�。┑莫毺貤l件而考慮所有這些方面。增材制造意味著包括金屬粉末在內的新材料、新設計、新生產工作流程和新的物理約束條件。不過，通過提供新一代解決方案以作為我們傳統(tǒng)軟件包的功能擴展，ANSYS讓這些變革變得易如反掌。  

全新的軟件工具專門用于優(yōu)化工程師的設計方案，從而在當今的先進增材制造設備上進行生產。ANSYS首次研發(fā)了專門用于機器操作員的仿真軟件。這些生產專家可以在虛擬環(huán)境中準確構建設計，從而能夠確信特定產品幾何結構能夠在特定增材制造設備上成功打印。該軟件可以和傳統(tǒng)設計軟件交互，可以獨立運行，也可以作為ANSYS技術平臺的組成部分運行，從而確保能夠形成閉環(huán)設計構建循環(huán)，最大限度地提高成功幾率和減少失敗      

ANSYS正在與行業(yè)領先的工程和科學技術公司Renishaw合作，旨在研究仿真技術如何有效預測增材制造(AM)過程中的殘余應力。經過ANSYS Additive Print預測，這些非常精密的渦輪機葉尖（每個只有1.3毫米左右）在AM過程中會由于較高的熱應力而產生變形。（紅色區(qū)域代表高應力區(qū)域。）仿真使設計人員和機器操作員能夠調整部件幾何結構或者機器參數，以盡可能降低代價高昂的打印錯誤的風險。

對于單個渦輪葉片，ANSYS Additive Print經過驗證，其能夠非常準確地預測AM過程中的變形，與實際打印過程十分匹配。通過變形補償，最終部件與預期的幾何結構非常接近。如果沒有補償，部件應該被視為一次失敗的構建，從而浪費時間、設備產能和材料成本。ANSYS預計，對于渦輪機等復雜的幾何結構而言，單次打印失敗有可能浪費數萬美元。

         
Q：企業(yè)如何開始采用增材制造戰(zhàn)略？
A: 最常見的誤區(qū)之一是增材制造屬于“全有或全無”的價值定位。只有少數產品從頭至尾都是采用增材制造進行生產。相反，主要部件進行3D打印，然后與傳統(tǒng)方式生產的組件一起裝配成兼具兩者優(yōu)勢的產品。因此，傳統(tǒng)制造商一開始會提出這樣的問題，“我們的產品中有哪些部件適用于增材制造？”它們可能是具有復雜幾何結構、需要承受特殊應力或者需要高度定制的部件。

增材制造應當作為包含傳統(tǒng)制造功能的更大規(guī)模產品研發(fā)與制造戰(zhàn)略的組成部分，從而發(fā)揮戰(zhàn)略作用。

企業(yè)應當開始增加專門針對增材制造研發(fā)的、能夠與現有仿真產品組合無縫集成的仿真功能。他們應當向ANSYS這樣具有豐富經驗的合作伙伴合作，咨詢如何針對性地借助仿真技術、以較低風險和投資進入增材制造領域。

雖然增材制造是一種相對較新的技術， 但是業(yè)界已經存在最佳實踐。ANSYS已經與最早期的采用者開展合作，而且可以幫助新的采用者實施這些實踐，并最大限度地發(fā)揮其業(yè)務模式的優(yōu)勢

來源： 中潤漢泰