3D列印軟體教學:借助增材製造技術,改善企業模擬解決方案

3D列印軟體教學,本篇將以增材製造為例,分析在仿真中提升模擬3D列印技術。達梭系統運用SIMULIA/Abaqus搭配3D列印軟體,打造出增材製造解決方案。

3D列印專家:增材製造還需要模擬仿真嗎?

「本文由達梭系統SIMULIA策略計畫總監、增材製造專家Subham Sett與他的同事James Fort共同撰寫。」

增材製造,即眾所周知的3D列印,是一種起源於二十世紀八十年代晚期的製造技術,現已開始在各個領域突顯其價值。其原理是將金屬、塑膠、合金或混合材料逐層熔融或黏合在一起形成最終的物件。

隨著技術進步,創客運動將3D列印變得家喻戶曉。更值得關注的是,3D列印軟體的應用領域正由快速原型列印擴展到工業應用列印,直接列印出生產工具乃至零件。無論是義肢,您自己設計的巧克力款式,還是現場列印大橋,以及列印整輛車……您每天都能從新聞裡看到3D列印的新奇應用。

然而在這些大量的「列印」過程中,其可靠性和可預測性仍然令人擔心,將影響到3D列印在工業領域的廣泛應用。我們所關注的問題是:如何利用模擬仿真來提升3D列印設計的可靠性?如何保證一次性成功列印出設計的產品?

模擬仿真可以在以下幾個關鍵領域提升3D列印技術:

  • 產生功能設計
  • 產生柵格結構
  • 材料參數校準
  • 列印過程最佳化
  • 產品效能預測

增材製造設計 – 輕量化

增材製造能讓設計者擺脫傳統製造的約束,在滿足工業要求、保證產品效能的前提下進行更高層次的設計。「輕量化」就是其中一個證明:可用最少的材料保證零件的特定功能需求。受益於穩健、非線性的拓撲最佳化(TopologyOptimization)技術,SIMULIA/Tosca套件讓這類高層次設計已變得切實可行。

增材製造設計 - 輕量化
增材製造設計 – 輕量化

增材製造還可以把零件內部製作成極其複雜的柵格結構,這是傳統製造方式不能實現的,而柵格結構能在拓撲最佳化的基礎上進一步減輕零件重量。今年秋季,SIMULIA/Tosca將發佈此一功能:不僅允許使用者設計功能零件時選擇柵格結構,並且能最佳化柵格的粗細和疏密。

3D列印軟體 - SIMULIA/Tosca套件,提供最佳化柵格結構
3D列印軟體 – SIMULIA/Tosca套件,提供最佳化柵格結構

 

利用3D列印軟體,表徵材料效能

增材製造過程中的另一個關鍵領域是如何表徵目前材料效能。以典型的金屬合金材料為例,高強度雷射光束沿著CAD軟體制定的列印路徑照射在粉末床上將金屬粉末逐層熔融成零件。 隨著雷射熱源的移動,金屬粉末熔化,凝固,與前一層熔合為一體;金屬的相變、冷卻速度以及其他3D列印參數如列印速度將影響金屬粉末熔融凝固及其微觀結構。

列印出來的零件可以比傳統製造程序生產出來的鑄件更強韌,但3D列印參數的變化及其影響非常明顯,因此有必要分析列印過程中的多尺度、跨物理場的本質特性。SIMULIA/Abaqus在整體分析列印零件宏觀效能的同時,提供使用者子程序供研究人員和工程人員研究和模擬3D列印過程中的微觀力學特性。

利用3D列印軟體,表徵材料效能 - 1
利用3D列印軟體,表徵材料效能

除了材料特性的變化,3D列印過程也會造成列印的零件跟初始設計存在明顯的外形差別。這是因為設計時使用的材料是標準的材料定義,也沒有考慮應力及扭曲;但在增材製造過程中,一般是燒結而成,會產生殘餘應力的累積、零件的扭曲和材料特性的變化。Isight提供強大的工具來進行3D列印軟體參數分析,如列印路徑、列印方向和熱源強度。並可在參數分析的基礎上最佳化殘餘應力、減少零件扭曲,改變材料特性滿足零件的運作條件(無論是靜態負載、動態負載、震動還是其它工程問題,都可以在Abaqus裡解決)。

利用3D列印軟體,表徵材料效能 - 2
利用3D列印軟體,表徵材料效能

 

以上一切最終都是為了保障零件在運作負載條件下的疲勞壽命,Fe-safe與Abaqus深度整合,在對3D列印材料參數研究的同時,進行增材製造零件的疲勞壽命評估。

回到標題所問的問題:是的,模擬仿真仍有巨大潛力來提高增材製造產品品質,從而提升增材製造在各個工業領域的應用。隨著增材製造技術的日趨成熟,SIMULIA的分析工具可以分析和解決增材製造過程中出現的各種問題。

 

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