e-works数字化企业网  »  文章频道  »  先进制造技术  »  先进制造技术综合

增材制造可贯穿从设计到制造的整个周期

2018/8/21    来源:e-works    作者:e-works吴星星      
关键字:Autodesk  增材制造  仿真技术  
近期,e-works记者采访了欧特克仿真技术经理朱戈,针对增材制造技术的普及现状、在提高材料利用率方面的优势、未来发展趋势,以及仿真技术可以应用于增材制造工艺的环节等问题展开了深入探讨。

    e-works记者:增材制造很火热,但应用普及很是缓慢,问题出在了哪里?

    朱戈:个人认为,很多问题出在对基础科学的研究。因为国内很多企业只是热衷于买几台3D打印设备来使用,而没有接近底层的研发,例如对金属材料的熔融再结晶的特点、热处理的工艺特性等这些材料科学方面的研究不够深入,增材制造的底层研发都没做好,更别说普及了。目前对于3D打印的应用,多数是样品或非承力结构的零件,打印时内部的缺陷可能会严重影响零件(尤其是金属零件)的力学性能,例如对SLM打印时局部的未熔融情况没有清楚了解,就很难保证增材制造零件与传统加工零件的结构强度和力学性能相当。当然,目前也有一些高校孵化出来的增材制造企业,一边做技术研发,一边将其进行商业化普及,但这也需要很长的时间才能转到规模型应用。

    e-works记者:仿真技术可以应用于增材制造工艺的哪些环节?

    朱戈:其实仿真技术是可以贯穿产品从设计到制造的整个周期的,注意我说的是“从设计到制造”,而不只是“增材制造”,因为增材制造只是整个产品生产周期的一个环节。目前看到太多的增材制造或者3D打印的宣传案例中都只是“为了增材制造而增材制造”,把原本减材加工更经济高效的零件也用增材制造的方式制造,目的只是为了宣传**产品是用增材制造方式生产出来的。这样做,也许有商业宣传的考量,但却容易误导读者,读者会认为增材制造可以取代现有的减材加工方式,而且还更加多快好省,事实并非如此,有些零件的加工,传统的减材加工比增材制造要更好,无论在成本还是速度等方面。

    正如增材制造只是产品生产的一个环节,仿真也只是增材制造的一部分,我们要的不是最终的加工方式,而是加工的产品,增材制造是为了减少加工方式对设计的约束,有了增材制造的加工手段,产品就可以更个性化、更高性能地被设计和制造出来。

用增材制造的思路来设计和优化零件

用增材制造的思路来设计和优化零件

    再如晶格的生成与拓扑优化,传统的方式都是首先借助仿真得到一个更加轻量化的结构,然后再通过对加工方式的妥协得到最终的产品外形,而现在有了增材制造,设计师可以几乎不用“妥协”,就能加工出最优的结构。例如下图中的零件,就是根据零件的受力情况而自动生成密度不同的晶格结构。增材制造技术的出现,打破了传统先画零件结构外形再仿真优化的设计方式,使得零件直接由分析优化就能得出结构外形,从而彻底改变了设计思路。

根据零件的受力情况而自动生成密度不同的晶格结构

根据零件的受力情况而自动生成密度不同的晶格结构

    所以,从设计角度而言,由于增材制造技术的出现,导致了仿真的结果可以被更好的应用。当然这其中也包括传统的拓扑优化引入了增材制造的设计生成,如下图所示。

传统的拓扑优化引入了增材制造的设计生成

传统的拓扑优化引入了增材制造的设计生成

    另一方面,增材制造也有其自身的加工约束,比如要考虑添加支撑、热处理、去除支撑、控制预变形等等,而这些问题也都可以通过仿真分析而解决。同时,对于增材制造过程,目前也可以对其过程进行仿真,例如Autodesk Netfabb软件可以对SLM打印过程进行热和力学的耦合仿真,包括打印完之后的热处理过程进行仿真。

对SLM打印过程进行热和力学的耦合仿真

对SLM打印过程进行热和力学的耦合仿真

    e-works记者:需要满足什么条件,才能应用增材制造技术生产出轻量化、高性价比的优质产品?

    朱戈:就使用条件而言,用好增材制造技术前提条件包括人员培训、知识储备、物料准备、软硬件投入等。由于我所在的是软件公司,所以单从软件的角度来看,最好能掌握覆盖全流程的3D打印软件,包括模型修复、仿真优化、打印排版、添加支撑、制作切片、设计/优化激光路径、生成机代码、过程仿真分析、模型预变形/补偿等功能。

    也许你会觉得这样要学很多东西或者学习多个软件,但如果只了解其中的一部分,就无法保证最终的效果,例如只会修复模型而不懂得仿真优化,这样只是依葫芦画瓢,给什么做什么,没有任何创新发展;如果只懂得优化模型自身的结构强度,但对过程仿真不了解,就很可能设计的天马行空,却不容易成功地被打印出来,尤其是金属零件,打印出来可能会发生较大的失真变形。因此,如果真要掌握好增材制造技术,从软件方面进行流程的学习和操作是必需的。

增材制造过程中所涉及到的内容

增材制造过程中所涉及到的内容

    从上图中增材制造过程中所涉及到的内容中可以看到:无论是设计阶段的零件优化,还是打印阶段的平台准备,都是需要仿真来进行分析和指导的,否则我们就知其然而不知其所以然,打印时出了问题就只能使用成本高昂的“试错法”来解决。

    细心的读者会注意到,上图中“增材制造”那一步完成之后并没有结束,后面还有个“小尾巴”——表面精加工和检测。这是因为,对于金属件而言,直接打印出来的通常只是近净形,而不是真正工业上可用的零件,还要进行去除支撑、抛光之类的后续加工,以及最终的尺寸检测,这些都是实际加工时需要考虑到的因素。很多时候,我们把主要注意力放在了从设计到增材制造的过程,但是也不要忽略了后续的步骤对前面步骤的影响,在设计打印模型时留出后期加工的操作空间。

    e-works记者:与传统制造方式相比,增材制造在提高材料利用率方面有什么优势吗?

    朱戈:以美国的战斗机F22中的钛合金框架为例,传统制造方式的材料利用率只有4.8%,而用增材制造的方式制造,其材料利用率能达到90%甚至更高,因此优势是显而易见的。采用增材制造技术,不仅材料成本能大大降低,生产时间、材料运输、零件管理、库存成本也都可以大幅缩短,其优势非常明显。

    e-works记者:增材制造未来发展的趋势是什么?

    朱戈:单从加工制造的角度来看,增材制造发展的趋势无非是用于更广泛的加工材料、更快的加工速度、更高的加工精度;但从整个产品生产的角度上来看,增材制造是可以最大限度地释放设计约束,更进一步来看,由于没有了很多限制,设计师就可以更专注于设计选择而不是设计妥协,除此之外,Autodesk还引入了机器学习的方式对设计流程进行革命式的创新。

传统的设计探索流程

传统的设计探索流程

    传统的设计探索流程会经历:提出概念、功能评估、可制造性评审、最终验证等几个阶段才到最终的生产,然而在实际过程中这几个阶段并不是很平滑的演进,而是存在不少障碍,例如:提出概念,会面临思考时间的有限;功能评估,受到了工程经验的限制;可制造性,可能未考虑到下游工艺;最终验证,会遭遇后期变更成本高昂……

    通过增材制造对自由度的释放,再加上之前提到的直接利用仿真分析得到(而不是改进)设计结果的技术,设计师就可以从设计端输入目标条件的同时,用机器学习功能性、可靠性、可制造性、甚至美学的规则来得到最终的结果,就像之前AlphaZero一样通过对象棋规则的学习,而不是过往棋局的学习,就可以找到更大设计范围内的最优解。

增材制造等先进技术的设计探索

增材制造等先进技术的设计探索

    其实上述的思路就是Autodesk的衍生式设计的设计探索思路,不过这就不限于增材制造的讨论范围,而是从整个产品设计来理解增材制造,此处就不展开介绍了,有兴趣的读者可以前往Autodesk的官网进行了解。

责任编辑:程玥
本文为e-works原创投稿文章,未经e-works书面许可,任何人不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用。如已是e-works授权合作伙伴,应在授权范围内使用。e-works内容合作伙伴申请热线:editor@e-works.net.cn tel:027-87592219/20/21。
e-works
官方微信
掌上
信息化
编辑推荐
新闻推荐
博客推荐
视频推荐