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增材制造案例:exaSIM 变形补偿工具的应用

2017/12/21    来源:ANSYS        
关键字:增材制造  变形补偿  exaSIM  
本案例研究展示了如何使用exaSIM 变形补偿功能,根据制造过程中预测的应变对部件的STL 文件进行反向变形。

    ANSYS exaSIM™是一系列金属增材制造(AM)仿真工具,有助于深入了解关于激光粉末熔融的复杂物理现象。exaSIM能针对残余应力、变形和构造失败生成实用的解决方案,使用户能够实现部件容差,避免构造失败,同时尽可能减少试错试验和应力消除热处理。STL文件能自动进行变形补偿,以抵消部件生产过程中出现的变形。

    本案例研究展示了如何使用exaSIM 变形补偿功能,根据制造过程中预测的应变对部件的STL 文件进行反向变形。当使用补偿后的STL 文件生产部件时,在构建过程中部件会逐步变形成正确的形状。

    精确的基于路径的关键路径时序

    当采用激光熔融金属粉末时,收缩应变会随着每个位置的熔融和冷却而积累。这些应变会产生应力,使部件变形与预期的形状背离。变形的大小取决于几何结构、过程参数和材料。exaSIM能仿真构建过程,利用逐层应变的积累来预测变形。此信息可用来评估特定的几何结构和支撑结构如何影响组件的最终形状。

    自行车立管实例

    GRM Consulting和BCIT提供了一种拓扑优化的自行车组件(参见图1)。 Renishaw在AM250系统上使用钴铬金构建了该部件。仿真显示,减震架在从衬底上移除之后存在显著的变形。一共构建了两个部件(一个有进行补偿,一个没有进行补偿),以测试exaSIM的预测功能和变形补偿工具。

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    图1. 自行车立管几何结构(图片由GRM Consulting 和BCIT 提供)

    仿真和构建细节

    研究人员利用exaSIM Advanced和Ultimate中的各向异性扫描模式应变功能预变形。构建参数和仿真假设如下表中所示。执行第一次仿真时,为机器/ 材料/ 过程参数组合确定合适的应变比例因子(SSF)。第二次使用校准后的应变比例因子执行仿真,以测试变形补偿功能的精确度。

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    图2. 自行车立管构建。(左)未补偿的部件。(右)补偿后的部件。

    仿真调整

    为了调整SSF,将图2 中的未补偿部件与图3 中的第一次仿真结果进行比较。在部件与仿真之间比较所有圆的最佳拟合直径和中心位置。研究人员找到能够将仿真结果与底板上构建部件的绝对差总和降到最小的比例因子,以此确定SSF的值为2.34。第二次仿真时,为了更准确预测从底板上移除之后的变形,研究人员选择了塑性变形(J2)。对于该几何结构,当变形补偿因子(DCF)是1 时,截断后的几何结构与目标形状非常接近。将exaSIM创建的STL文件(DCF为1)用作最终构建时的输入几何结构。

    结果

    如图3所示,截断后的第一次仿真结果预测减震架处(外圆)的变形最严重。exaSIM预测使DCF为1可以纠正此变形。如图4 所示,这些预测都十分准确。在通过变形补偿文件获得的几何结构中,构建的减震架没有变形;而如果使用初始几何结构作为输入来构建部件,减震架与预期的几何结构之间存在显著变形。这些结果表明,在从衬底移除后可利用变形补偿实现精确的部件,无需进行热处理。

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    结论

    此案例研究展示了exaSIM变形补偿工具的优势。设计人员和AM机械操作人员可利用激光粉末熔融增材制造技术制造完美的部件,而且在将部件从底板上移除之前无需采用昂贵的热处理和应力消除工艺。按照本案例研究中介绍的过程,exaSIM用户可针对具体的机械/ 材料/ 过程参数组合来调整SSF并准确预测部件变形效果,无需额外进行试错试验,从而节省时间和成本。

责任编辑:张纯子
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