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金属积层制造模拟技术成效
[作者 Masha Petrova]   2018年02月09日 星期五 浏览人次: [10163]


积层制造(Additive Manufacturing, AM),也就是3D列印的技术运用层层堆积原料的方式,制作三维的零件。作为一种实际的制作技术,积层制造近年来已日益普及。要运用积层制造,必须先将数位资料档案传送给制作零组件的机台。积层制造原本被视为一种快速成型(rapid prototyping)技术,可以迅速制作多以塑胶为材质的原型,然後再以射出成型(injection molding)、铸造、成型、接合等业界熟悉的方式生产。这些零件多用在人体工学、相容性、和功能测试方面,很少用来量产。


以金属为基础的积层制造流程在1990年代被开发出来,数家业者很快就推出雷射烧结(laser sintering)法,可直接列印3D金属零件,成为多阶段制造流程的替代方案。雷射烧结(laser sintering)是一种积层制造技术,以雷射作为获得粉末(金属或聚合物)的能源,自动将雷射瞄准3D模型立体定义的点,结合材料形成固体结构。


为什麽要用积层制造?

相较於传统制造方式,金属积层制造有几个吸引业界的优势:


1.积层制造可制作传统方法无法创造的零件和结构,例如内部结构精细或有复杂有机型状的零件。一个用积层制造制作的零件可以取代过往用多个零件组合的集合。因为积层制造能制作形状更复杂的零件,我们可以设计和运用超越用传统制程所能生产的更高性能的零件。


2.只要用积层制造机台和一些金属粉末,就可能生产替换金属零件,以往需要整个工厂和多个机台。这点对国防、航太、和生技产业特别有吸引力,应用范例包含在国外制作坦克的替换零件、其他星球上制作太空船替换零件,或在医院制作人工膝盖。


3.创造在积层制造未问世前还没有的新奇材料。因为积层制造粉床需要将金属粉末送入机台才能列印零件,积层制造在新材料属性方面有极大的潜力。在金属雷射粉床制程中,雷射会迅速扫描过表面。由於材料硬化的速度极快,会产生属性有趣的全新微结构类型。事实上相较於传统制造作业,积层制造使创造新型合金更方便。


4.可替换供应商已不再生产的磨损或故障零件。我们可利用积层流程加入新功能,带来新的重制零组件(remanufacturing components)商机。


尽管金属积层制造具有潜力,目前它也有不少缺点。比如说,制程很复杂,需要技术高超的机台操作员、对积层制造设计(DfAM)具有经验的设计工程师、和价格可能高达数百万美元,每年维修费用也要数万美元的机台,而这还不包含原料费用。在使积层制造成为真正制程前,业者必须多次尝试错误,才能成功列印优质零件。尝试错误的额外成本使大多数业者负担不起积层制造。


而积层制造模拟能够用户虚拟尝试错误。执行一次模拟积层制造流程的成本远低於列印实体金属零件。模拟的速度不但更快,还能以多种故障模式检视零件。


为什麽要模拟?

ANSYS提供的金属积层制造解决方案能够让用户模拟整个积层制造流程,在实际列印前就决定最隹机台、零件设定、和材料组态,大幅减少,甚至完全排除实体尝试错误,用户可将金属积层制造研发成果快速转变为成功的制造作业。


ANSYS新工具能模拟典型的金属雷射粉床融合(PBF或L-PBF)流程,包含雷射扫描过机台内的粉末表面,融化粉末然後凝结。扫描完一层後,下一层粉末就接着叠放在该层上。上述流程不断重复,直到整个零件制作完成。通常一个制作平台上会有多个零件同时制作。


因为从固体变成液体再从液体变回固体,以及机台的多种变数(如雷射速度、平台温度、环境温度等)和金属粉末材质的变化,正确模拟积层流程是相当复杂的问题。


ANSYS采用拓朴最隹化技术的软体解决方案,可以减少零件重量并将网格密度(lattice density)最隹化。但即使有了拓朴最隹化,列印优质零件依然需要尝试错误。它无法考量积层制造流程的各种变数。此种限制让ANSYS Additive Print和ANSYS Additive Suite解决方案发挥效用。


模拟的投资报酬率


图1 : 使用金属积层制造过程中产生的不良品。
图1 : 使用金属积层制造过程中产生的不良品。

客户使用模拟能够得到什麽样的投资报酬率?图1显示一盒废弃的零件就放在金属积层制造机台旁边,是很常见的景象。而事实上这不只是一堆废弃零件,每个零件价值都高达数千美元。金属积层制造机台每小时平均操作成本约100美元。制作一个零件可能需要10、20、甚至大型零件的80小时以上。所以,如果支撑结构故障、零件变形、或制作到最後零件破裂,数千美元的金钱和数星期的努力都会付诸东流。


每家机台制造商都有各自的扫描方式逻辑(scan pattern logic),用户将零件汇入制作软体,每家机台制造商的软体分析零件的方式都有些不同。部分制造商甚至会根据放在制作平台上的零件类型,采取不同的分析方式。机台内的雷射会根据既定方式扫描零件,每家制造商的扫描方式逻辑都不一样。扫描方式逻辑会导致雷射烧熔金属粉末时遵循不同的扫描方式移动。


当制作零件时,不同的扫描方式会使每部机台有其独一无二的热历程 (thermal history)。因此,就算零件、机台设定、机台型号都一样,只要扫描方式不同,就会有独一无二的热历程。这会导致零件的张力与应力不同,以及缺陷分布的差异(如孔洞)。不同的热历程也可能导致在零件几何形状和机台设定不变的前提下,每部机台仍有不同的微结构,因此机械属性也有所差异。ANSYS积层工具因为能正确模拟融化池(melt pool) 层级的热历程,并考量到制作该零件会用到的所有扫描向量,所以可捕捉特定机台的差异。ANSYS工具的上述功能可适用於全尺寸零组件。


以ANSYS技术为基础的热模拟软体(thermal solver)可读取机台扫描向量,并预测每一层的真正热历程,并利用该资讯来预测张力和变形。这种强大功能让ANSYS客户将制程模拟的正确性最大化。


ANSYS针对积层制造机台操作员和负责积层制造制作零件的设计工程师所开发的独立解决方案,方案特色包含容易使用(例如用户训练不到一天,就能操作工具并获得有价值与意义的结果)、快速、功能也很强大,其模拟以制作档案汇入或用户定义扫描方式的精准扫描向量为基础。


解决方案

ANSYS Additive Print

这是特别针对积层制造机台操作员和负责积层制造制作零件的设计工程师开发的独立解决方案,特色包含容易使用(用户训练不到一天,就能操作工具并获得有价值与意义的结果)、快速、功能也很强大。其模拟以制作档案汇入或用户定义扫描方式的精准扫描向量为基础。


本解决方案包含ANSYS SpaceClaim,它让用户准备和整理几何,并正确对准列印文件的方向。


工具预测能力:


●列印零件的最终形状


●每一层的变形、形状、和张力视觉化


●自动预测最适支撑架构


●变形补偿STL档案


●潜在Blade Crash指南


成效:


●减少或排除实体尝试错误


●减少不确定性


●设计出可正确列印的几何形状


●加速生产


●产生更正确的报价


●减少雷射粉床融合制作失败


ANSYS Additive Suite

拥有ANSYS Mechanical Enterprise的用户可加购这套完整积层制造解决方案。内容包含:


- 拓朴最隹化 - 减轻重量与网格密度最隹化


- SpaceClaim - 制作CAD几何、修复和整理零件的多面 (faceted)资料工具、以及创造网格


- 机械积层制造模拟 - ANSYS Mechanical内建功能之一,可预测积层制造制程造成的零件变形和应力,使用和传统结构分析相同的环境,将弹性和模拟选项最大化


- Additive Print 为独立产品,可预测零件形状、变形和应力,自动预测最隹支撑结构和变形补偿STL档案,以利快速学习曲线和高度调整的M模拟介面


- Additive Science - 独立应用,支援材料和最隹机台叁数设计调查(见下列描述)


拓朴最隹化

让用户将零件形状最隹化、维持足够的刚性来承受其荷重,以大幅减轻重量。拓朴最隹化的零件多呈复杂形状,这使得积层制造成为唯一能制作特定形状的实际方式。


SpaceClaim

让用户使用积层制造机台介面需要的STL几何格式。拓朴最隹化流程也会输出STL。SpaceClaim工具让用户整理、修复、和直接在多面呈现(faceted presentation)上的作业。


ANSYS Additive Science

本应用可在Workbench上面或其他工具上执行,针对希??将机台和材料叁数最隹化的金属积层制造专家;以及开发新金属粉末、金属积层制造材料、和金属规格的材料科学家;希??将机台设计最隹化的粉床机台制造商;以及任职於下列产业的冶金学家:航太、生技、和汽车原始设备制造商以及专业积层制造大型供应商。


工具属性:


用户决定特定机台/材料组合的最隹流程叁数,以达到最高零件完整性、正确的微结构、和适当的属性。


● 专属数学演算法速度比其他有限元素分析解决方案快数十倍


● 模拟以精准扫描向量为基础(後者来自制作档案或使用者定义扫描方式)


● 自订管理资料库包含各种材质的非线性温度相关热物理属性,这种和物理状态有关的属性对正确模拟积层制造制程十分重要


● 决定适当的机台/材料叁数


● 控制微结构和材料属性


● 减少零组件资格认证所需的实验数目


● 比较预测的「正确」机台行为和感测器测得的「真正」机台行为,并依此建立流程认证程序


Mechanical Additive Print Simulation(MAPS)

此为ANSYS Mechanical内建功能之一,Mechanical Print让熟悉Mechanical环境的客户轻易运用工具设定和解决列印模拟问题,同时提供依照需求调整工作流程的大幅弹性。


成效:


● 让客户模拟热机械制作程序,正确预测零件变形和应力


● 提供简化制程叁数输入方式,定义积层制造制程


● 可使用非线性和温度相关属性(无固有应变假设)


● 让用户完全掌控制程设定,方便自订


● 支援ANSYS高效能运算(HPC)产品的高效率HPC效能延伸


应用案例

英国的Croft Filters专门设计生产各种过滤器。他们是积层制造专家,多年来运用积层制造制造多种过滤器设计。Croft曾试图制作一种新过滤器设计,但过程中一直出问题(图2)。当制作图片显示的设计上环的时候,积层制造制程会产生大量负载,导致过滤器突出。突出代表过滤器无法装进既定的位置。Croft公司的工程师为了解决过滤器变形问题,尝试过多种设计选项。他们尝试替设计加装稳定鳍片(stabilizing fin)、添加不同的支撑结构、甚至把过滤器反过来,然而皆无法解决问题。列印出的零件还是会变形。


Croft最後决定采用ANSYS Additive Print来模拟并了解该公司列印程序。因为Additive Print针对积层制造设计师和机台操作员设计,Croft工程师只花1天就学会执行该工具。Additive Print内建自动变形补偿功能,可根据软体模拟自动修改STL档案,反转几何变形效应,让设计师印出已修正的几何。相较於先前花费6个月却毫无进展,Croft工程师利用Additive Print後,在1周内解决新过滤器设计问题并印出正确的零件。



图2 : 以Additive Print模拟的Croft过滤器几何形状,以及显示顶部严重变形的最终成品。(source:Croft)
图2 : 以Additive Print模拟的Croft过滤器几何形状,以及显示顶部严重变形的最终成品。(source:Croft)

模拟完整的积层制造工作流程


图3 : ANSYS的积层制造工作流程解决方案 (source:ANSYS)
图3 : ANSYS的积层制造工作流程解决方案 (source:ANSYS)

如图3所示,ANSYS致力於提供完整的设计到列印(design-to-print)解决方案给客户。例如设计师可用ANSYS拓朴最隹化工具降低零件重量。接着工程师、设计师、或机台操作员可使用ANSYS Additive Print或在Additive Suite下运作,模拟列印流程、自动产生以物理为基础的支援措施,并决定最适合特定机台的组态,以便制作符合设计规格的高传真度(fidelity)零件。产生以物理为基础的支援措施代表可随需要加入支援措施,确保制作成功,後端处理也更快。


图4 : 以ANSYS Additive Science产生的微结构分析(source:ANSYS)
图4 : 以ANSYS Additive Science产生的微结构分析(source:ANSYS)

Additive Suite之中的Additive Science让冶金学家和工程师检视零件各部位的微结构。在了解特定部位的微结构之後,就能针对机台组态和选用材料做出结论。


(本文作者Masha Petrova博士任职於ANSYS公司)


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