增材制造還需要模擬仿真嗎？

寂靜天花板

此文由達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA戰(zhàn)略計(jì)劃總監(jiān)、增材制造專家Subham Sett與他的同事James Fort共同撰寫。
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增材制造，即眾所周知的3D打印，是一種起源于二十世紀(jì)八十年代晚期的制造技術(shù)，現(xiàn)已開始在各個(gè)領(lǐng)域突顯其價(jià)值。其原理是將金屬、塑料、合金或混合材料逐層熔融或粘合在一起形成最終的物件。

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隨著技術(shù)進(jìn)步，創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)將3D打印變得家喻戶曉。更值得關(guān)注的是，3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域正由快速原型打印擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用打印，直接打印出生產(chǎn)工具乃至零部件。無論是假肢，你自己設(shè)計(jì)的巧克力款式，還是現(xiàn)場(chǎng)打印大橋，以及打印整車……你每天都能從新聞里看到3D打印的新奇應(yīng)用。

然而在這些大量的“打印”過程中，其可靠性和可預(yù)測(cè)性仍然令人擔(dān)心，將影響到3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。我們所關(guān)注的問題是：如何利用模擬仿真來提升3D打印設(shè)計(jì)的可靠性？如何保證一次性成功打印出設(shè)計(jì)的產(chǎn)品？

模擬仿真可以在以下幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域提升3D打印技術(shù)：

• 生成功能設(shè)計(jì)
  
• 生成柵格結(jié)構(gòu)
  
• 材料參數(shù)標(biāo)定
  
• 打印過程優(yōu)化
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• 產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)
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增材制造能讓設(shè)計(jì)者擺脫傳統(tǒng)制造的約束，在滿足工業(yè)要求、保證產(chǎn)品性能的前提下進(jìn)行更高層次的設(shè)計(jì)。“輕量化”就是其中一個(gè)證明：可用最少的材料保證部件的特定功能需求。得益于穩(wěn)健、非線性的拓?fù)鋬?yōu)化（TopologyOptimization）技術(shù)，SIMULIA/Tosca套件讓這類高層次設(shè)計(jì)已變得切實(shí)可行。

增材制造還可以把部件內(nèi)部制作成極其復(fù)雜的柵格結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)制造方式不能實(shí)現(xiàn)的，而柵格結(jié)構(gòu)能在拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減輕部件重量。今年秋季，SIMULIA/Tosca將發(fā)布這一功能：不僅允許用戶設(shè)計(jì)功能部件時(shí)選擇柵格結(jié)構(gòu)，并且能優(yōu)化柵格的粗細(xì)和疏密。

增材制造過程中的另一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是如何表征當(dāng)前材料性能。以典型的金屬合金材料為例，高強(qiáng)度激光束沿著CAD軟件制定的打印路徑照射在粉末床上將金屬粉末逐層熔融成部件。 隨著激光熱源的移動(dòng)，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打印參數(shù)如打印速度將影響金屬粉末熔融凝固及其微觀結(jié)構(gòu)。

打印出來的部件可以比傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)出來的鑄件更強(qiáng)韌，但3D打印參數(shù)的變化及其影響非常明顯，因此有必要分析打印過程中的多尺度、跨物理場(chǎng)的本質(zhì)特性。SIMULIA/Abaqus在整體分析打印部件宏觀性能的同時(shí)，提供用戶子程序供研究人員和工程人員研究和模擬3D打印過程中的微觀力學(xué)特性。

除了材料特性的變化，3D打印過程也會(huì)造成打印的部件跟初始設(shè)計(jì)存在明顯的外形差別。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)使用的材料是標(biāo)準(zhǔn)的材料定義，也沒有考慮應(yīng)力及扭曲；但在增材制造過程中，一般是燒結(jié)而成，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力的累積、部件的扭曲和材料特性的變化。Isight提供強(qiáng)大的工具來進(jìn)行3D打印參數(shù)分析，如打印路徑、打印方向和熱源強(qiáng)度。并可在參數(shù)分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化殘余應(yīng)力、減少部件扭曲，改變材料特性滿足部件的運(yùn)行條件（無論是靜態(tài)負(fù)載、動(dòng)態(tài)負(fù)載、震動(dòng)還是其它工程問題，都可以在Abaqus里解決）。

以上一切最終都是為了保障部件在運(yùn)行負(fù)載條件下的疲勞壽命，F(xiàn)e-safe與Abaqus深度集成，在對(duì)3D打印材料參數(shù)研究的同時(shí)，進(jìn)行增材制造部件的疲勞壽命評(píng)估。回到標(biāo)題所問的問題：是的，模擬仿真仍有巨大潛力來提高增材制造產(chǎn)品質(zhì)量，從而提升增材制造在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著增材制造技術(shù)的日趨成熟，SIMULIA的分析工具可以分析和解決增材制造過程中出現(xiàn)的各種問題。

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面壁深功

正象有了淘寶，還有雜貨店。

albert.tang

既有陽春白雪，也有下里巴人。