行業應用方案 | 拓撲優化與增材制造

增材制造是指通過逐層堆積的方式將3D模型數據轉換為實體的過程,也稱為3D打印、快速成型等。增材制造常常被用于制造實體零件、原型驗證、模具等,其可使用包括塑料、金屬、陶瓷、玻璃、復合材料和生物材料等。根據最新的2020年Wohlers 報告,增材制造在汽車行業應用最廣(16.4%),其次是消費品/電子產品(15.4%)和航空航天(14.7%),其中終端產品占全球打印件的30.9%,功能性原型占24.6%。

仿真軟件在增材行業相比其他軟件而言應用尚不廣泛。目前仿真主要應用于金屬粉末熔融技術,其他技術諸如金屬粉末熔覆技術和熔融沉積成型技術對于仿真的需求也逐日增加。仿真軟件主要用于預測成形過程中可能產生的打印失敗,因而降低試錯成本和時間。目前仿真軟件對算力有較高要求,但隨著速度和精度的不斷提升,仿真軟件有望成為增材設計流程的標準之一。根據仿真結果生成變形補償模型也將幫助打印出更精準的零件。

Ansys解決方案

Ansys增材制造工藝仿真套件提供了從面向增材制造設計到打印工藝的完整解決方案。此綜合型解決方案可幫助結構設計師、工藝工程師和質量分析師避免生產失敗,并制造精確符合設計規格的部件。使用提供的各種網格劃分選項,可創建連接式分層網格,更精準地捕獲模型幾何結構的細節,精確地實現細節特征。用戶可以全面控制生產加工步驟,現在還可以添加熱處理和支撐去除步驟,執行更完整的整體增材制造過程仿真。

一、航空航天行業

增材制造與拓撲優化可以通過再設計降低飛行器的重量、減少人力裝配成本、提升燃油效率、縮短研發時間周期。

  • 渦輪葉片拓撲優化和增材制造

  • 燃油噴嘴批量化增材制造

  • 飛機艙門鉸鏈的一體化、拓撲優化設計

  • 飛機固定件的一體化設計

  • 射頻濾波器的輕量化設計

  • 衛星天線的拓撲優化

二、模具行業

模具行業中增材應用廣泛,包括砂模等。金屬增材的最大優勢是可打印隨型流道,適用于復雜零件的生產,提升效率。

  • 隨性冷卻流道模具的再設計和工藝仿真

  • 使用增材制造的輪胎鋼片模具

三、醫療器械行業

個性化設計和采用拓撲、點陣設計的醫療植入體和齒科應用已大規模使用增材進行生產。美國已有不少醫療器械生產供應商獲得了FDA的認證,國內也已有少數廠商獲得了CFDA認證。

  • 髖關節髖臼杯的點陣定制設計和打印

  • 椎間融合器的點陣定制設計和打印

  • 脛骨底板的輕量化定制設計和打印

四、汽車行業

增材制造被廣泛應用在汽車的開發、設計、制造和銷售過程中,包括制造具有較高機械性能和光學要求的汽車零部件,實現更安全的輕量化設計、更低的成本、更短的開發與制造周期等。

  • 格柵和格柵覆蓋優化設計和工藝仿真

  • 空氣擾流板的優化設計和工藝仿真

  • 支架的拓撲優化再設計、驗證和工藝仿真

Ansys Additive Suite涵蓋整個工作流程的完整解決方案

Ansys Additive Suite涵蓋整個工作流程——從增材制造設計 (DfAM) 到驗證、打印數據準備、工藝仿真和材料研發。

  • Ansys拓撲優化模塊可根據結構剛度、承載能力和增材制造工藝限制的條件實現輕量化設計,包括拓撲優化、形狀優化和點陣設計,并對設計結果進行驗證仿真。

  • Ansys Additive Prep作為增材制造前處理工具可以根據打印時間,支撐用量,以及熱變形優化零件擺放,并生成適用于打印的支撐。

  • Ansys Additive Workbench為熟悉Mechanical環境的用戶提供增材制造的成形過程、自定義后處理的工藝仿真。

  • Ansys Additive Print提供了易學易用、快捷、強大的3D打印工藝過程仿真能力,幫助用戶詳細了解增材制造特有的物理機理,并獨家提供了讀入金屬打印機的打印文件,采用精確的部件打印掃描矢量進行全尺度熱分析,并在此基礎上為用戶提供了無與倫比的分析預測功能。

  • Ansys Additive Science幫助金屬增材制造專家、工程分析師、材料科學家、設備制造商以及粉末供應商,針對特定的機器/材料組合調試最佳工藝參數,以獲得最高等級的部件完整性,并在打印之前預測微觀結構、屬性和傳感器反饋。

Ansys Additive Suite為用戶提供可選擇在Mechanical環境中或易學易用的print中完成增材工藝仿真流程。用戶可通過內置的增材制造約束條件實現拓撲優化和點陣設計,并可采用固有應變或熱固耦合方式預測零件變形和應力的預測。支持非線性和依賴溫度的材料屬性,和自定義后處理流程,從而設計出可以精確打印的零件、減少試錯實驗并加速制造過程。新增的設備工作文件的讀取,可以得到基于工作路徑的仿真結果。用戶還可通過微觀結構的仿真和分析,快速確定最佳工藝參數、應用新材料、加速創新并降低風險。

典型應用案例

                                                                           

行業應用方案 | 拓撲優化與增材制造的圖1

Optisys-X-band使用集成化軟件進行了輕量化整設計,符合射頻性能,且固定部分做了整體設計。

   

行業應用方案 | 拓撲優化與增材制造的圖2

增材制造可用于實現葉片復雜的冷卻結構成形,使葉片更加輕量化。

   

行業應用方案 | 拓撲優化與增材制造的圖3

GE公司制造的這款增材制造的燃油噴嘴已經被用到了LEAP上,并進行批量化生產。

   

行業應用方案 | 拓撲優化與增材制造的圖4

Stryker 3D打印的Tritanium TL弧形后部腰椎籠,采用類似骨小梁的結構設計,并可針對患者進行定制化。

來源于:Ansys

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