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设计是决定增材制造发展的关键因素

2018/8/31    来源:e-works    作者:e-works      
关键字:增材制造  仿真技术  
近期,e-works记者采访了澳汰尔高级技术工程师徐成斌,针对增材制造技术的发展现状、研究重点、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:您认为国内增材制造的发展现状是什么?目前研究的重点是什么?

    徐成斌:从数量上看,中国增材制造的整体规模和速度都处于世界前列。尤其最近几年,打印机和基于云的打印服务商在数量上每年以2~3倍的速度在增加;从技术上看,自主品牌的设备中也不乏佼佼者,无论是制造精度、制造速度或是产品批量良品率,都与世界一线品牌处于较为相近的水平。

    当然,增材制造的快速发展也产生了规模化效应,进而带动了国外品牌的降价。现在增材制造的原材料成本和云打印服务的费用总体都维持在5年前的五分之一到十分之一的水平,这对于增材制造技术的推广具有非常积极地作用。

    目前来看,国内在增材制造领域的研究层面上基本覆盖了国际上所有的主要领域,例如:生物组织打印,特殊材料的打印,新型打印机研发,打印路径规划软件研发等。研究重点集中在机械制造相关的领域,典型如增材制造配套的设计方法、打印相关软件的开发、打印可用的材料的研究和制造成品质量控制的研究。

    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?

    徐成斌:目前增材制造的普及显得缓慢,是因为有几个明显的阻碍因素:成本、产量、适合增材制造的设计。成本和产量问题,应该非常好理解,这两个问题随着增材制造技术的的发展将不断改善。适合增材制造的设计则是决定增材制造发展的关键因素。

    因为增材制造设备提供的只是一种制造平台,有了平台还一定要有适合的内容。如果运用增材制造平台来制造适合传统方式制造的产品,就会折减增材制造的价值。事实上,在增材制造的初期,制造模型往往直接来源于原来的机加工模型,在打印平台存在明显水土不服,优点全无,成本高、速度慢的缺点倒是显露无遗。现如今,工程人员已经普遍意识到这个问题,知道要在合适的平台搭配配套的设计,一些好方法如拓扑优化、空间曲面建模已经出现,但如何做符合增材制造的设计,总体还在摸索阶段。个人相信, 经过这个阶段的提升,增材制造的普及也就顺理成章了。

    e-works记者:仿真技术可以应用于增材制造工艺的哪些环节?

    徐成斌:仿真技术在增材制造的设计阶段就可导入,一直到成品阶段都有相关应用。具体而言,仿真技术在增材制造过程中可分为4个主要应用场景。

    应用场景一——设计:设计阶段为设计更好的具有轻量化和其他性能特点的结构,设计师可以利用仿真技术中诸如拓扑优化、形貌优化、点阵(栅格)优化等优化技术,辅助设计师创造出传统思维中不会接受,但性能和外形都适合增材制造工艺的设计。

    应用场景二——打印准备:利用仿真技术可以为需要打印的设计,做打印角度寻优的工作,最大程度减少所需支撑,规划打印路径。

    应用场景三——制造过程仿真:模拟打印过程,如仿真材料堆积先后造成的温度不平衡的热应力、翘曲、收缩等工艺缺陷。

    应用场景四——增材制造修补:典型应用如,增材制造用于修补时,新旧材料的融合牢固程度的仿真。

    此外,目前的增材制造应用往往还需结合传统工艺,互补各自不足,这自然会运用到相关如铸造仿真或加工中心的仿真技术。

    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?

    徐成斌:想应用增材制造技术生产出轻量化、高性价比的优质产品,我认为需要具备以下三个条件:

    一、优秀的轻量化设计:利用科学的方法设计出符合应用需求、质量过关、没有过度设计冗余的作品。

    二、适合增材制造的几何外形和材料:几何和材料上适合所选用的增材制造设备,并且是传统制造方式不易制造或成本上不具备优势。

    三、打印技术的发展:随着增材制造技术发展,增材制造的平均成本进一步降低,这样符合上面第二条的设备和材料也将越来越多。

    e-works记者:增材制造所生产的产品表面为何不是过于粗糙,就是过于精细?

    徐成斌:目前的增材制造技术,无论是熔融堆积还是激光烧结,都限定了喷头(激光头)的有效大小和电机步进都仅能在非常小的范围内调整,这如同画画时只允许使用一支笔,并且下笔的力度也都限定了,那么这就造成了:当使用粗笔时,整个绘画效率很高但绘画精细程度不足(过于粗糙);用细笔时,绘画精度足够但效率很差(过于精细)。其实同样的问题,在早期的车床和铣床加工中也出现过,随着数控中心的出现并且配套的自动化刀路规划和换刀软件的出现,这一问题也就迎刃而解。个人相信,随着增材制造技术的发展,配备多喷头(或大功率激光器)的设备和与之配套的路径规划软件应该同样能改善直至解决这一现状。

    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?

    徐成斌:增材制造能提高材料利用率是显而易见的。在加工过程中,传统制造主要以减材制造为主,在车铣刨磨过程中产生大量切除的废弃物,而增材制造只要合理回收粉料,就可用于二次生产,几乎不存在多余浪费,即使是考虑支撑材料,其重量也远少于传统制造所需要去除的材料。

    而在设计端,由于不再受加工方法的限制,结构设计只需要其真正需要的材料了,例如某结构需要提高刚度,在传统设计中因为考虑加工方便常常添加一整块肋板,在增材制造中可以直接制造出一根筋条达到相同的效果,而材料仅使用原有的一半甚至更少。这就如同厨师不必再为一根香肠,而买一头猪一样,合理且高效。

    e-works记者:增材制造未来发展的趋势是什么?

    徐成斌:总体而言,目前增材制造还处于整个技术的早期,未来大型化、微型化、多种材料支持、微重力环境支持、链接云端、打印平台与打印头多向可动(类似于机械加工的五轴,制造任何结构都无需支撑)等都是可能的发展方向,而所有的发展趋势最终都需满足人对制造的需求。

责任编辑:程玥
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