增材制造過程仿真

增材制造提供了生產復雜設計的能力，這是傳統制造方法無法實現的。

目錄：

1.關于增材制造過程仿真

2.工具路徑-網格交叉模塊

3.增材制造過程的熱-力分析

4.增材制造過程的基于本征應變的分析

5.增材制造過程的特殊目的技術

 

1.    關于增材制造過程仿真

增材制造(AM)提供了生產傳統制造方法無法生產的復雜零件的潛力。

本節描述用于模擬和評估增材制造過程的abaqus功能，以及過程參數對最終打印部件的影響。

將討論下面的主題：

·        關于增材制造

·        工具路徑-網格交叉模塊

·        熱-力分析

·        基于本征應變的分析

·        增材制造的特殊目的技術

·        后處理仿真以及服役性能驗證

1.1關于增材制造

增材制造，也被稱為3D打印，是一個廣泛使用的術語，用于描述制造三維物體的工業過程：

·        原材料的受控沉積(通常為粉狀、熔融態或液態);

·        誘導轉化為固態。

通用增材制造過程（ISO/ASTM52900-15）如下表：

技術	粉末床	粘結劑噴射	直接能量沉積	材料擠出	箔片層疊	光照聚合	材料噴射
描述	熱能選擇性地熔化粉末床的區域	一種液體粘合劑被沉積，來連接粉狀材料	安裝在多軸臂上的噴嘴沉積熔化的材料	材料通過噴嘴擠出，在那里被加熱。一層一層地沉積	一片片的材料粘在一起形成一個物體	采用光活化聚合法選擇性地固化液體光聚合物	構建材料的液滴被選擇性地沉積下來
材料形式	粉末	粉末	粉末或線	實體材料	實體材料	液態樹脂	墨水
材料	金屬 塑料	金屬 塑料 陶瓷	金屬	塑料 復材	紙 金屬	塑料（光固化樹脂）	塑料
過程項	選擇性激光燒結（SLS） 選擇性激光熔化(SLM) 電子束熔化(EBM) 直接金屬激光燒結(DMLS)	粘結劑噴射(BJ) 噴墨印刷粉 多噴射熔合（MJF）	激光熔覆 直接能量沉積(DED) 激光金屬沉積(LMD) 激光工程凈形(透鏡) 激光或電子束線材沉積	熔化沉積模擬(FDM)	層壓對象制造(LOM) 紙張層壓技術(PLT) 超聲增材制造(UAM)	立體光刻(SLA) 數字光處理(DLP)	感光性樹脂噴射(PolyJet) 多射流模擬(MJM)

增材制造使生產復雜形狀成為可能，而不受傳統制造方法的設計約束。因此，部件的功能需求成為設計工作的主要焦點。然而，增材制造工藝也有其自身的挑戰。例如，由制造過程引起的熱應變會產生足夠大的殘余應力，從而在印刷過程中或在零件的使用壽命中導致失效。

增材制造仿真的一些主要目標是:

·        預測零件的殘余應力。

·        通過工藝優化，最大限度地減少設計和制造之間的差距。

·        評估增材制造的零件在與其他部件的裝配中，實際載荷條件下的性能。

Abaqus/Standard增材制造技術的核心是工具路徑-網格交叉模塊——這是一個強大的基于幾何的引擎，它將加工工具路徑數據作為輸入，并將其與任意網格交叉。

Abaqus/Standard提供了兩種模擬增材制造過程的方法:一種是熱-力模擬，另一種是基于本征應變的模擬。

Abaqus/Standard提供了通用模擬功能，允許您定義適當的邊界條件、載荷、交互、約束和材料模型，以捕獲增材制造過程的物理特性。此外，特殊的分析技術可用于模擬增材制造過程，考慮到機器信息和工藝參數，如激光功率、層厚和刀具軌跡。Abaqus還允許您為打印部件執行后處理模擬和服役過程中的性能驗證。

1.2   工具路徑-網格交叉模塊

工具路徑-網格交叉模塊用于查找增材制造過程中使用的各種工具路徑與被制造零件的有限元網格之間的幾何交叉點。例如，在典型的金屬粉末床模擬中，可以使用事件系列定義粉末金屬沉積和熱源(如激光)的時間-位置歷史。工具路徑-網格交叉模塊使用事件系列數據，并自動計算激活單元所需的相關信息，并將適當的熱能應用到模型。

1.3   熱-力模擬

熱力模擬包括打印過程中零件熱加載的瞬態傳熱分析，以及由熱分析產生的溫度場驅動的靜力結構分析。模擬允許對過程條件的時間和空間進行精確指定，并使您能夠精確控制求解的保真度。這種模擬是精確和復雜的，但隨著時間和空間(網格)分辨率的增加，它的計算成本會很高。

1.4   基于本征應變的模擬

本征應變，或固有應變，是一個工程概念，用來解釋由制造過程引起的永久(或非彈性)變形的所有可能來源。本征應變長期以來被用于評價焊接操作的殘余應力。基于本征應變的增材制造過程模擬包括對打印部件的單一靜力應力分析，其中根據代表打印過程的單元激活序列(通常是一層一層地)，施加預定義的特征應變場。這一過程會導致殘余應力和變形場的分布，從而導致零件的整體變形。這種方法不需要獲得詳細的機器信息;然而，它需要額外的努力（實驗或詳細的過程級熱-力模擬）來校準本征應變值。本征應變模擬的結果通常比熱力模擬的結果更接近。一般而言，本征應變分析足以捕捉畸變和殘余應力，但可能無法捕捉高階變形模式，如薄壁部件在打印過程中可能發生的屈曲。

1.5   增材制造的特殊目的技術

用于增材制造過程模擬的Abaqus/standard中的功能是在用戶子程序基礎結構和提供高度控制和定制的關鍵字接口上開發的。此外，還有一些特殊用途的技術可以用于模擬不需要編寫用戶子程序的常見AM過程。這些技術在Abaqus中被實現為使用相同用戶子程序基礎結構和關鍵字接口的“內部”用戶子程序。這些特殊目的的技術通過使用以“ABQ_”開頭的字符串名稱的表集合來訪問，這在增材制造的特殊目的技術中有詳細描述。字符串名稱以“ABQ_”開頭的表集合是為特殊目的技術保留的，不應該在編寫自己的用戶子程序時使用。

1.6   后處理仿真以及服役性能驗證

通常有必要模擬在打印零件上執行的附加后處理操作，例如從構建板上移除零件或移除支撐結構的電火花切割加工(EDM)，熱處理或其他后續的加工過程。

通過電火花加工的切割過程，可以用切割區域中指定單元的逐漸去除來建模。通過給漸進式單元激活定義中的單元分配一個零值材料體積分數，可以實現漸進式單元移除(參見漸進式單元激活章節)。或者，您可以使用模型改變技術指定要從模型中刪除的單元(參見刪除單元章節)。

您還可以應用熱處理熱循環來模擬由于退火或其他熱誘導相變而導致的零件殘余應力的減少。

此外，還可以對打印零件施加服役載荷，以考慮制造歷史造成的殘余應力影響。Abaqus/Standard為建模部件失效和部件耐久性提供了多種選擇，這些選擇可以合并到后續的服役性能驗證中。