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增材制造工艺仿真,您了解多少?

2018/8/31    来源:e-works    作者:e-works      
关键字:增材制造  增材制造工艺仿真  仿真  
增材制造按照整个工作流程大致分为设计、材料、增材制造工艺(包括设备和加工工艺)、后处理,质量检测五个阶段。这些工作流程有哪些挑战?仿真用于增材制造工艺,又有哪些价值呢?

(一)从设计到检测,增材制造所面临的各种挑战

    自1986年,世界上第一家生产3D打印设备的公司诞生以来,增材制造技术被人们逐渐认识。增材制造按照整个工作流程大致分为设计、材料、增材制造工艺(包括设备和加工工艺)、后处理,质量检测五个阶段。尽管近30多年来,增材制造技术突飞猛进,但在其工作流程上依然面临着各种各样的挑战。

增材制造过程所面临的各种挑战

增材制造过程所面临的各种挑战

    1、设计阶段,产品面临优化、部件精简、修复、新颖设计、特性、自由复杂度等挑战。

    尽管增材制造初始阶段也广泛运用CAD工具,但是对于功能部件的制造,例如轻量化结构、功能集成的一体式结构,就需要运用CAE工具来优化形状和材料性能,以最大化地减少材料使用和重量。同时,为更好了解、预测材料性能和零部件功能特性,也需要通过CAE工具建立预测性模型,使工程师能够正确评估零部件的功能特性,并通过调整设计达到预期目标。

    2、在材料环节,材料的形态制约了增材制造的发展。

    材料是直接影响产品参数、工艺难度和应用的核心,材料的形态主要指尺寸、形状、化学成分、可循环性、稳定性、分布等。尤其设计工程师在进行产品设计时,缺乏对选定部件的材料性能的认知,例如与构建方向、拉伸强度、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等相关的材料属性,有可能导致设计方案不可行。运用CAE工具,模拟得到用于增材制造部件的材料属性,可大幅度提升产品质量,缩短产品上市的时间,节约大量成本。

    3、在增材制造工艺阶段,面临工艺参数和增材制造技术的挑战。

    生产过程中,工艺的参数变化不可控。增材制造工艺参数,包括功率、速度、环境、稳定性、标定、设置等。例如利用3D打印技术和传统的铸造技术得到的同样大小、形状和材质的工件,可能由于工件内部疏松不够致密,导致产品性能有差距。为提高增材制造工艺的连贯性、重复性和统一性,并对生产过程进行内部控制和闭环反馈,可借助仿真技术在早期规避生产缺陷。

    增材制造工艺的多样性。由于增材制造技术有电子束粉末/丝、激光净成形、激光粉床、超声波、冷喷、喷射粘结剂等多种工艺,每种工艺的多样特性意味着没有单一的解决方案。例如,粉末床工艺拥有高解析度和创造非常复杂几何外形的能力,不过尺寸和建造速度受限。送粉和电线工艺提供不受限的建造体积和更高的沉积速度,而且具备在建造策略中集成部分制成工件能力。

    4、在增材制造后处理阶段,很多工艺标准尚未统一。

    后处理阶段的工艺主要包括表面加工、热处理、热等静压、机加工、清洁、检验等。例如,以激光选区融化增材制造技术为例,由于该技术的材料非平衡物理冶金和热处理过程十分复杂,同时发生着激光束与粉体、熔池与粉床的交互作用,熔区超高温梯度和强约束力的快速凝固、构件内部组织演变、循环条件下热应力演化等现象,最终形成的部件往往具有内部冶金缺陷。目前,适用于增材制造领域的后处理工艺及标准还未统一。

    5、增材制造的产品,存在质量检测困难的问题。

    增材制造零部件的独特性给产品质量检验带来了挑战,对于那些具有复杂几何形状的零部件很难通过传统手段进行检验。加之,在增材制造的每个流程中,都存在不同类型的缺陷,需要检测的内容也不尽相同。借助仿真技术,可以模拟各个阶段的应力状态、熔融状态、材料性能、零件扭曲、孔隙、残余应力等,对产品进行虚拟检测,避免最终缺陷产品的形成。

责任编辑:程玥
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