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作者：
Jan-Peter Derrer（Renishaw德國分公司）
Enrique Escobar de Obaldia博士和Dr. Patrick Mehmert博士
Dr. Hendrik Schafstall博士（Simufact公司）

概述

      汽車行業正在經歷通過使用更強大的引擎增強車輛性能、使移動更敏捷, 當然除了發動機功率和牽引力控制之外，車輛重量同樣也對性能有著突出的貢獻。德國斯圖加特大學的方程式賽車隊GreenTeam為此聯系到Renishaw，希望能夠獲得支持，從而解決他們比賽用車的減重問題。此前GreenTeam的成員一直希望重新設計原本由鋁材制成的軸承座，并在尋找贊助商來幫助他們完成軸承座的改進設計。這些問題之所以難以解決是因為優化重量和參數會導致組件的特性發生改變，而使用傳統制造方法很難達到設計目標，尤其是對于以鈦作為材料的結構存在加工困難等問題。英國的工程技術公司Renishaw通過其以金屬粉末為基礎的增材制造系統能夠完全滿足GreenTeam的這些要求。Renishaw是全球金屬增材制造（又稱金屬3D打印）領域的領導者之一，是英國唯一一家設計和制造“基于金屬粉末材料進行零件打印的”工業設備的公司。但是，想要精確處理和打印如此復雜的結構也是極具挑戰性的。

     Renishaw位于德國的中心在承接了GreenTeam的這個項目后向Simufact公司尋求了幫助，并決定采用Simufact公司的增材制造解決方案Simufact Additive軟件作為工具，進行制造過程優化，以減少零件的嚴重變形以及部件和支撐結構之間的分離問題。

挑戰

      增材制造（AM）是對經過輕量化設計的復雜結構（基于3D模型）進行加工制造的新方法。傳統制造方法因模具設計加工或更長的生產時間導致成本增加。雖然增材制造技術已有幾十年的應用歷史，但這種技術直到最近幾年才引起汽車行業的注意。

      在以金屬粉末為基礎的增材制造加工方法中，Renishaw使用其粉末熔化成型機器打印方程式賽車隊的賽車軸承座。在制造過程中，激光3D打印設備熔化了選定區域的粉末層。一旦其中一層完成掃描，選定材料被熔化，新的一層粉沫材料就會被鋪上。這與其他的熱分析過程很相似，在此過程中，許多工藝參數（例如堆積速度、熱源、粉層厚度）都會對打印零件的質量產生影響。

      工藝參數控制具有一定的挑戰性——即使是多次測試也不一定能確定最佳設置。因此，打印出來的零件超出容許范圍或有明顯的損壞是很常見的。在賽車軸承座的制造中，Renishaw的工程師觀察到零件與基板以及零件與支撐結構之間出現了裂紋（圖1A）。除此之外，零件上部的掃描結果也表明其存在非預期變形（圖1B）。Renishaw的設計團隊需要一個仿真解決方案，不僅能優化設計實現Green Team的部件減重設計的目的，也是為了實現“第一次打印就成功”，這既能提高企業的生產效率又有利于降低生產和研發成本。

      得益于仿真計算日益提高的準確性、可靠性、更短且更加符合工程實際要求的計算時間，以及仿真軟件易用性的提升。工藝仿真已經成為一種成熟而有效的方法。因此，Renishaw與以制造技術仿真專業性著稱的Simufact公司取得了聯系，請Simufact幫助他們進行堆積成型過程的預測，以實現減少變形，消除部件與支撐結構之間的分離問題的目標。

圖1A-打印的軸承座：可以看到部件和支撐結構間存在分離

圖1B-打印的軸承座：零件頂部變形形狀的測量

解決方案

      Simufact公司的增材制造工藝仿真分析工具Simufact Additive，可提供一種宏觀尺度方法，這種方法不僅可以用于優化零件的堆積成型過程，還可以用于后續工藝鏈的優化。宏觀分析考慮了制造過程中的固有應變。這個固有應變包括塑性應變、熱應變、蠕變應變和相變應變。在Simufact Additive軟件中，固有應變可通過軟件提供的校驗模塊進行簡便快速的校準。

      為校準零件的固有應變，Renishaw在同一臺打印軸承座的3D打印設備及工藝參數設置相同的條件下分別在0°和90°方向上打印了兩個懸臂梁試樣。懸臂梁試樣所用的材料（TiAl6V4_粉末）是Simufact Additive軟件自帶的材料庫的一部分。在打印完成以后，在懸臂梁試樣的中部位置（高度為3mm）進行全部梳齒的切割，并測量變形。此時懸臂梁試樣并沒有從基板上完全切除是為了要保留一個參照點并防止剛體運動發生。隨后，將測得的每一個懸臂梁試樣切割全部梳齒后的變形量輸入到Simufact additive中進行固有應變的校準。在經過7次仿真迭代計算后，達到了目標變形量（圖2），即達到允許的最大0.3%的變形誤差。接下來要做的是用校準得到的固有應變進行軸承座制造過程的仿真。為克服傳統單元模擬復雜零件的局限性且考慮增材制造過程進行逐層堆積的特性，Simufact Additive軟件采用立方體形狀的像素網格。立體像素單元代表順序激活的金屬粉末材料層。在分析模型中，將支撐結構的CAD文件導入，并采用與零件相同的鈦合金材料建模。將零件和支撐結構置于基板上，設置粉末層厚0.06 mm，采用82層立體像素網格建模。這里設置的像素單元的尺寸為1 mm，最終對部件（零件、支撐結構和基板）進行切片分層的離散化處理，每一個像素單元約包含17個粉末層。這個項目的第二階段是評估仿真結果的準確性。Renishaw的工程師在零件的三個位置上測量了零件的變形情況。Simufact additive預測的變形與實際測試結果非常吻合（圖3）。而且，Renishaw的工程師在軸承座實際制造中看到的裂縫在Simufact additive的仿真結果中也完整復現（圖4A）。在對仿真結果進一步的分析以后，Renishaw團隊得出的結論是：零件中具有最大主應力的區域出現了失效。最后，進行圖1B中零件實際打印后的最終形狀和圖4B中Simufact additive預測的最終形狀對比發現，兩者吻合的很好。

圖2：固有應變的校驗

圖3A—變形

圖3B—試驗及預測變形的結果對比

圖4：輸入校準后的固有應變得到的仿真結果。A—開裂區域（左）B—零件在變形放大情況下的形狀（右）

結果

      為補償在軸承座內側區域發生的變形，需擬定一個新的設計方案。即在軸承座內壁加入四個插件并相應使用Simufact Additive為其創建新的支撐結構（圖5A）。與圖3A中的初始設計相比，圖5B中的新設計的仿真結果表明：所有區域中的局部變形均有所減少。此外，Simufact Additive仿真結果表明軸承座在內壁增加插件后，最終形狀尤其是圓度有了很大的改善（圖5C）。圖5D中對原始設計的實測變形和仿真結果以及新設計的仿真結果進行了對比，從圖中可以看出：相比原始設計，新的設計在控制變形方面有了極大的改進。盡管已經擬定了一個新的設計方案，但是通過Simufact Additive軟件可以很容易地對其他工藝參數的變化進行仿真分析和對比，比如基于預變形結構進行結構最終形狀的補償或工藝鏈內部的參數變化的影響研究等。

圖5：零件優化后的仿真結果
A—新設計（左上），B—變形（右上）
C—變形放大10x的零件最終形狀（左下）
D—變形量的對比（右下）

關于Renishaw公司
       Renishaw是金屬增材制造（也被稱為金屬3D打印）領域的全球領導者，也是英國唯一一家設計和制造“基于金屬粉末材料進行零件打印的”工業設備的公司。Renishaw的大部分研發及制造項目都是在英國進行的。目前，Renishaw集團在全球35個國家中擁有超過70個辦事處，共有約4000名員工。其中，在英國公司工作的員工人數大約為2600人，負責研發和制造業務。

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