AM模拟使金属变得更加复杂

新一代的设计和仿真软件制造商增加了解决金属AM的功能。

新一代的设计和仿真软件制造商增加了解决金属AM的功能。

复杂的金属零件,内部结构印有金属。图片由Materialise提供。


在加利福尼亚州圣地亚哥举行的SolidWorks World 2014大会上的主题演讲中,初创公司Markforged的创始人兼CEO Greg Mark与SolidWorks首席执行官Gian Paolo Bassi一同亮相,宣布Mark One的诞生。

“We have the world’第一台以碳纤维打印的3D打印机,” said Mark. “我们所做的是,我们想到了铺设复合材料以及3D打印机的机械原理的想法,并将它们组合在一起。”

作为台式打印机,Mark One’然后列出的$ 5,000价格标签’完全是一时冲动的购买。但这标志着新的可能性和潜力。这不仅是公司的开端,也是整个3D打印行业的开端。这意味着3D打印不再局限于塑料和聚合物零件。现在它可以成为生产金属零件的机制,其强度和耐用性可与机械零件媲美。

大约在同一时间&D division of 欧特克 开始尝试进行生成设计。该技术以Project Dreamcatcher的名称首次亮相。在2014年的预告性博客文章中,Autodesk技术人员和博客作者Shaan Hurley写道:“如果CAD系统可以自动生成数十个,数百个甚至数千个满足您指定的高级目标的设计选项,该怎么办?” (“欧特克 Project Dreamcatcher目标导向设计, ”两线之间,2014年11月 )。

Glassfold灯罩是使用生成设计技术在Autodesk Fusion 360中设计的。 图片由Autodesk提供。

最终,两种并行技术融合在一起,需要使用生成设计工具来解决金属增材制造(AM)问题。现在许多人都在问这个问题:生成设计软件是否足够智能,可以创建适合在金属3D打印机中生产的形状?为了回答这个问题,我们与3D打印行业内部人士进行了交谈。

AM设计

雷·霍夫(Ray Huff),副工程师, 沃勒斯协会,已准备好今年在Americas Makes的俄亥俄州扬斯敦教授他的增材制造周期性设计(DfAM)课程。在AM行业分析师Wohlers Associates组织的为期一天的课程中,Huff和他的同伴们提供了有关最佳实践的动手课程和高级讲座。

霍夫认为,每个设计师都应该有一台台式3D打印机。“They’太便宜了” he reasons. 创客 提供台式3D打印机,价格从$ 1,299起(Makerbot Replicator Mini +)起。马克福格’台式打印机的起价为3499美元(Onyx One,Gen 2)。

即使您可以负担得起的台式打印机看起来像是工业金属AM系统之外的世界,’霍夫认为,从较小的规模了解过程中可以学到很多东西。即使印刷的聚合物基零件’他指出,如果不匹配制成的金属零件,原型可以用于形状,装配和功能。

“AM—即使在金属AM细分市场中—有很多不同的口味例如,您可以使用粘合剂喷射机或粉末床熔合机。再有像 桌面金属,它会拉伸零件。许多设计师只接触少数几个。它’接触所有不同的增材制造方法很重要,” he says.

DfAM课程涉及使用生成设计软件,但是Huff警告说该技术不是某些供应商将其描述为按键式解决方案。“在课堂上,我们使用Altair’s Inspire and 物化’s Magics,因为它们可以很好地用于快速介绍生成设计,可以创建零件并进行打印,” he says. “使用该软件为您提供一般表格的指导,但要知道,经常需要处理该表格以使其可3D打印,” he advises.

拓扑研究

在2017年9月发布SolidWorks 2018时,它以拓扑研究为特色,成为SolidWorks Professional和Premium版本的一部分。作为被广泛采用的机械CAD建模器之一,SolidWorks在许多方面都充当了行业的晴雨表。 SolidWorks是一种以简洁的方法而闻名的程序,通常会避开看起来过于牵强或不切实际的技术。它对拓扑研究的支持—它的生成设计版本—表示有合理的需求。

同样,功能生成设计于2017年在由SolidWorks开发的3DEXPERIENCE中首次亮相’ parent company 达索系统èmes。作为面向大型企业用户的产品,3DEXPERIENCE产品组合包括建模,仿真,社交协作和实时可视化应用程序。

生成设计工具的早期迭代缺乏考虑制造约束条件以自动排除不合适的形状和几何形状的能力,但是后续的实现解决了这一缺点。“用于拓扑优化和生成设计的SolidWorks和CATIA [3DEXPERIENCE品牌的建模应用程序]工具对于制造约束都有不同的选择,”Dassault Syst AM的产品组合经理Mark Rushton说èmes.

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在生成设计工作流程中,该软件为万向节提出了最佳拓扑 (1. Dassault GD万向节法线)由设计空间定义; (2. Dassault GD设计空间);工程师可以在渲染视图中可视化结果(3. Dassault GD云台渲染);并在仿真中验证设计 (4. Dassault GD万向节结果)。 图片由Dassault Syst提供èmes.

这种制造意识包括生成设计软件 ’例如避免出现可能导致3D打印或AM出现打印问题的薄壁和悬垂的能力。这些规则现已编码到许多生成设计工具中。但是,AM的一般规则是否足以胜任金属AM?

“每个AM过程都略有不同,所有系统中的拓扑设计规则都不会考虑的一件事就是导致变形的热应力,”观察拉什顿。对于3DEXPERIENCE用户,可以在专用SIMULIA仿真应用程序中解决此问题。

“[金属AM印刷’的热性能]可以通过我们的SIMULIA品牌进行模拟,并且通过放置支撑结构可以避免潜在的问题。另一种选择是可以对模型进行变形处理,以便在打印后[预打印]失真可以产生所需的结果,” says Rushton.

失真补偿

认识到AM将在制造,模拟软件制造商中扮演越来越重要的角色 ANSYS 在2018年开发了ANSYS Additive Print和ANSYS Additive Suite。“尽管有很多好处,但是当前的增材制造过程既耗时又昂贵—金属粉末和3D打印材料的价格大大限制了打印过程中反复试验的机会,”在ANSYS宣布新的以AM为中心的解决方案中指出了这一点。

在开发ANSYS Print和ANSYS Additive Suite时,ANSYS预计将在AM服务机构和AM机器开发人员中进行部署。

“ANSYS Additive Print产生的结果可以向工程师确切说明在打印过程中会发生什么—在打印之前通知设计人员零件是否会失效;以及如何,何时何地失败。在打印之前进行仿真可以大大减少反复试验和昂贵的打印过程,” the company says.

工具的一部分’其强度来自模拟由于热化学作用而在AM过程中发生的变形。此功能允许“用户可以快速预测其零件在构建过程中将如何变形,并为用户提供补偿模型。失真补偿减少了反复试验实验迭代的需要。简而言之,ANSYS增材印刷为用户节省了时间和金钱,以制造出准确的零件,”ANSYS在其产品手册中进行了解释。

在方程式中增加成本

最初由Dreamcatcher项目开发的Autodesk生成设计技术现在已成为许多Autodesk商业软件包的一部分,例如Autodesk Fusion 360,这是具有云增强功能的集成CAD-CAM-CAE软件包。

“可用技术的范围包括从粘合剂喷射到纳米颗粒喷射(NPJ)到激光粉末床熔合(LPBF)到电子束熔化(EBM),等等,”Autodesk高级产品经理Sualp Ozel说。

“这些技术中的每一种都有其自己的设计考虑因素,这些因素也可以根据机器制造商和打印机的型号而有所变化,” Ozel says. “使用设计软件时,某些参数(例如对象大小)很容易合并,而有些则更困难。例如,在不需要支撑结构的情况下可以打印(按)设计特征的最大角度是多少?排水孔的最小直径应该是多少,以便可以从内部特征中去除建筑材料?为了确保打印不会失败,功能的最小尺寸应该是多少?清单继续。”

“用户选择并下载该生成的结果后,他们可能需要对模型进行进一步的编辑,例如添加排水孔,将大孔转换为菱形开口并添加通道材料,然后可以对其进行机械加工以获得更严格的公差,” says Ozel. “在Fusion 360的设计工作区中,所有这些都是可能的,因为结果是参数化且可编辑的CAD模型—not an STL.”

生成设计的标准是让用户指定重量或质量要求作为目标—例如原始部分的75%’的质量。但是Autodesk添加了将成本包括在等式中的选项。

“多亏了我们与aPriori的合作,aPriori会对生成的设计结果进行了分析,以确定了一系列制造成本,并在用户探索解决方案空间时将其呈现给用户,” says Ozel.

该合作伙伴关系于今年6月宣布,其结果是将aPriori Cost Insight Engine集成到Fusion 360中。这使Fusion 360用户可以获得成本估算以及软件生成的拓扑。

“我们还看到了未来的机会,可以扩展每个生成设计研究提供的见解,不仅包括成本,还包括可制造性指南,从而使设计方向的选择更加有效,”aPriori总裁兼首席执行官Stephanie Feraday说。

更改规则

成立于1990年,Materialize’s stated goal is “以实现3D打印所带来的巨大潜力的新用途。”随着时间的推移,该公司从仅开发软件扩展到还包括打印服务。

“在设计金属3D打印时要记住的一件大事是,在打印时需要支撑零件,”Materialise设计工程经理Dries Vandecruys说。“这些支撑结构不仅是建筑支撑所需要的,而且在零件被印刷时还可以充当其散热器。最重要的是,支撑结构的材质与端部相同,这使得通过后期处理将其移除非常费力。这限制了您的设计自由度,并且在设计阶段需要一些额外的考虑。”

在具有制造意识的生成设计程序中,选择AM作为所需的生产方法通常会触发一组规则,以防止或最小化拓扑中的悬垂。“金属AM的经验法则是避免悬垂小于45º。但是实际上,该角度取决于悬垂的大小,某些机器制造商甚至声称通过控制工艺参数,他们可以在不支撑角度低至10的情况下产生悬垂。º,” says Ozel.

“在基于激光的粉末床融合中使用单一材料,我们可以创建自定义的填充策略,以使零件的各部分在不同类型的加载条件下表现不同。通过直接能量沉积过程,我们甚至可以创建多材料组件,” Ozel continues. “It’重要的是要记住,产品的制造过程会对达到其运营目标的产品设计产生影响。”

AM打印系统的种类正在增加。到目前为止,领先的生成设计软件制造商在完善其拓扑生成算法以赶上潮流方面做得非常出色。但是自动化是有极限的。虽然它’可以将以AM为中心的规则编码到生成设计软件中’s algorithm, it’不可能以解释每个AM系统的方式进行编码’的独特功能。因此,设计人员应该期待一些时间来完善模型。

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黄健贤

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