增材制造：仿真前沿技術(shù)“問(wèn)與答”

來(lái)源： 中潤(rùn)漢泰

3D打印技術(shù)有望同時(shí)為工程與生產(chǎn)帶來(lái)變革。由于能夠把數(shù)字設(shè)計(jì)方案快速轉(zhuǎn)變成實(shí)際產(chǎn)品，增材制造可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制并快速響應(yīng)產(chǎn)品開發(fā)。但是高昂的材料成本要求產(chǎn)品研發(fā)人員每次都能夠一次成功，完成最佳的設(shè)計(jì)方案。

      

Q：到底什么是增材制造？另外，業(yè)界為什么對(duì)它如此感興趣？
A: 增材制造是一種通過(guò)逐層構(gòu)造而生產(chǎn)三維部件的技術(shù)。該技術(shù)由于不斷增加材料層而得名，剛好與某些其他生產(chǎn)工藝的過(guò)程相反。之所以被稱為3D打印，因?yàn)樗�需要把�?shù)字設(shè)計(jì)方案發(fā)送到機(jī)器，后者可以快速制造產(chǎn)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(shì)，因此它作為一種新的生產(chǎn)形式得到了更廣泛的普及。顯然，它能夠幫助企業(yè)把數(shù)字文件迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌善�。不過(guò)它也能生產(chǎn)極其復(fù)雜的形狀，以及滿足特定客戶需求的“一次性”設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，客戶還有望研發(fā)出高度定制的材料混合物，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能特征。

Q：目前金屬增材制造的應(yīng)用范圍有多廣？未來(lái)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(fù)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(jìn)入門檻很高，因?yàn)樾枰��?gòu)置非常昂貴的新生產(chǎn)設(shè)備。生產(chǎn)人員需要掌握新的專業(yè)知識(shí)。另外生產(chǎn)失敗會(huì)導(dǎo)致巨大風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榻饘俜勰┖推渌?D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(lǐng)先，他們從該技術(shù)中獲得的相關(guān)利益讓他們值得克服上述挑戰(zhàn)。

Q：工程仿真對(duì)于解決高成本和高風(fēng)險(xiǎn)有什么作用？
A:當(dāng)你考慮這些高成本和高風(fēng)險(xiǎn)的挑戰(zhàn)時(shí)，需要認(rèn)識(shí)到工程仿真對(duì)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(jīng)過(guò)40多年的驗(yàn)證，能夠最大限度提高確定性和降低風(fēng)險(xiǎn)。利用仿真技術(shù)，企業(yè)在象征性地按下“打印”按鈕之前，即可預(yù)測(cè)某個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)是否能夠成功制造。

仿真的魅力在于它能夠分析整個(gè)增材制造過(guò)程⸺從最早期的設(shè)計(jì)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(chǎn)品滿足性能標(biāo)準(zhǔn)，而且他們現(xiàn)在還可以借助新的過(guò)程仿真解決方案模擬生產(chǎn)過(guò)程。他們能夠回答這些關(guān)鍵問(wèn)題，如：“我應(yīng)該把設(shè)計(jì)發(fā)送到哪臺(tái)機(jī)器？”，以及“哪種材料微結(jié)構(gòu)非常適合這個(gè)設(shè)計(jì)方案？”

         

Q：仿真技術(shù)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(shù)來(lái)優(yōu)化關(guān)鍵產(chǎn)品特征，而現(xiàn)在專業(yè)工具可以針對(duì)新的增材制造環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)方案�？梢灾饘硬榭醋冃闻c應(yīng)力�？梢匝芯坎考�容差與構(gòu)建失效，這些是增材制造的主要風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)增材制造技術(shù)生產(chǎn)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(guān)鍵差異。

雖然增材制造仿真是一門新技術(shù)，但是它與仿真一直以來(lái)所提供的價(jià)值定位相契合：最大限度降低風(fēng)險(xiǎn)，減少時(shí)間與成本，以及最大限度提高產(chǎn)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(jīng)廣泛用于解決傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)挑戰(zhàn)。例如，數(shù)十年來(lái)工程師一直在仿真不同的材料成分。他們過(guò)去一直在優(yōu)化產(chǎn)品拓?fù)湟约疤幚韼缀谓Y(jié)構(gòu)，以便同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程和實(shí)際性能。他們過(guò)去一直在進(jìn)行熱與結(jié)構(gòu)分析。工程師過(guò)去需要研究部件形狀、變形與應(yīng)力�，F(xiàn)在令人振奮的是，新的專業(yè)工具可以根據(jù)增材制造（3D打�。┑莫�(dú)特條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(nèi)的新材料、新設(shè)計(jì)、新生產(chǎn)工作流程和新的物理約束條件。不過(guò)，通過(guò)提供新一代解決方案以作為我們傳統(tǒng)軟件包的功能擴(kuò)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(shè)計(jì)方案，從而在當(dāng)今的先進(jìn)增材制造設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)。ANSYS首次研發(fā)了專門用于機(jī)器操作員的仿真軟件。這些生產(chǎn)專家可以在虛擬環(huán)境中準(zhǔn)確構(gòu)建設(shè)計(jì)，從而能夠確信特定產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)能夠在特定增材制造設(shè)備上成功打印。該軟件可以和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件交互，可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為ANSYS技術(shù)平臺(tái)的組成部分運(yùn)行，從而確保能夠形成閉環(huán)設(shè)計(jì)構(gòu)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(lǐng)先的工程和科學(xué)技術(shù)公司Renishaw合作，旨在研究仿真技術(shù)如何有效預(yù)測(cè)增材制造(AM)過(guò)程中的殘余應(yīng)力。經(jīng)過(guò)ANSYS Additive Print預(yù)測(cè)，這些非常精密的渦輪機(jī)葉尖（每個(gè)只有1.3毫米左右）在AM過(guò)程中會(huì)由于較高的熱應(yīng)力而產(chǎn)生變形。（紅色區(qū)域代表高應(yīng)力區(qū)域。）仿真使設(shè)計(jì)人員和機(jī)器操作員能夠調(diào)整部件幾何結(jié)構(gòu)或者機(jī)器參數(shù)，以盡可能降低代價(jià)高昂的打印錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于單個(gè)渦輪葉片，ANSYS Additive Print經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，其能夠非常準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)AM過(guò)程中的變形，與實(shí)際打印過(guò)程十分匹配。通過(guò)變形補(bǔ)償，最終部件與預(yù)期的幾何結(jié)構(gòu)非常接近。如果沒(méi)有補(bǔ)償，部件應(yīng)該被視為一次失敗的構(gòu)建，從而浪費(fèi)時(shí)間、設(shè)備產(chǎn)能和材料成本。ANSYS預(yù)計(jì)，對(duì)于渦輪機(jī)等復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)而言，單次打印失敗有可能浪費(fèi)數(shù)萬(wàn)美元。

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

增材制造應(yīng)當(dāng)作為包含傳統(tǒng)制造功能的更大規(guī)模產(chǎn)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(yīng)當(dāng)開始增加專門針對(duì)增材制造研發(fā)的、能夠與現(xiàn)有仿真產(chǎn)品組合無(wú)縫集成的仿真功能。他們應(yīng)當(dāng)向ANSYS這樣具有豐富經(jīng)驗(yàn)的合作伙伴合作，咨詢?nèi)绾吾槍?duì)性地借助仿真技術(shù)、以較低風(fēng)險(xiǎn)和投資進(jìn)入增材制造領(lǐng)域。

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

來(lái)源： 中潤(rùn)漢泰