白皮書 | Ansys在增材制造領域的仿真驅動產品研發愿景

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增材制 造(也被稱為“3D 打印”)有望極大地改變產品構思和設計的方式。通過增材工藝可實現前所未有的設計復雜性和設計自由度。完整的子裝配體能一次打印成型,消除了成本高昂的連接操作。零部件能實現訂單式的小批量定制與生產。無論是在家中、工作中、戰場上還是在裝配線上,零部件都能隨時隨地按需生產。為實現增材制造的普及化及其愿景,需要對當前的設計和仿真工具進行大刀闊斧的升級。
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介紹

增材制造(AM)雖然實際上已存在數十年之久,但一直主要服務于原型構建和加工市場,直到最近打印機領域取得相應發展才使增材制造開始轉向應用于主流零部件的生產市場。隨著面向金屬加工的可靠高性能打印機的出現,增材制造越來越多地被用于為汽車和航空航天等高度工程領域生產輕量級設計。此外,隨著新興打印機制造商的不斷涌現以及現有生產線的快速大力升級,增材制造領域正在迅速發展演進。世界各地正在投入大量資金開展研究,以進一步了解和控制打印工藝、材料特性描述及零部件制造的其它方面。ANSYS 一直與這一領域的許多研究人員和機構保持密切合作,以便在這個不斷發展的領域中搶占先機。
雖然許多人會爭辯說我們仍然處于“技術成熟度曲線”的初期階段,但實際上,不僅有許多公司已經開始在生產中積極地使用增材制造,而且還有更多的公司已經購買了打印機,并且正在探索其潛在效益。
為了讓增材制造成為主流,不僅需要在打印機硬件方面取得進展,同樣需要在設計軟件和仿真軟件上實現發展。ANSYS 具有得天獨厚的定位,能夠發揮其在仿真驅動產品研發(SDPD)領域的長期優勢,以推動增材制造成為市場主流。
當前面臨的挑戰
目前,零部件設計與打印面臨著三大挑戰。這三大挑戰主要涉及了設計工具設計- 構建選代以及軟件工具流中的連貫性不足等方面。
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挑戰一: 設計工具并沒有專門針對增材制造而研發。數十年來,在設計已經確立的制造方式(如機械加工、鑄造、焊接、鍛造、沖壓等)過程中積累了大量歷史知識和模式,當前的工具(包括 CAD)均是以此為基礎進行設計研發的。雖然增材制造設計知識在不斷豐富發展,但行業也不能只依靠簡單的經驗法則進行判斷,而是需要基于物理的方法
挑戰二: 雖然我們有極大的設計自由度但并不是所有的設計都能實現可靠打印。設計完成后會交給打印操作員,如果構建(打印)失敗,設計人員或工程師就必須重新設計。重新設計- 構建迭代不僅成本高昂而且極為耗時。
挑戰三: 為了滿足具體的應用要求,這一領域涌現出了大量的專用工具,包括專門的設計工具(主要圍繞著拓撲優化或網格化),專業的打印預處理工具(方向、支承和切片)以及打印仿真工具。設計和數據無法在無縫過程中使用,而是必須手動從一個工具轉移到另一個工具才能完成從設計到構建的全部步驟。
仿真驅動的產品研發
長期以來,ANSYS一直致力于通過物理場仿真軟件、幾何模型創建和操作工具以及出色的工作流,把仿真驅動的產品研發(SDPD變為現實。在設計周期中盡早地迭代和使用仿真來創建并測試虛擬原型,有助于實現更優秀更理想的設計,同時還可縮短總體設計時間。
借助設計知識和規則(最小半徑、拔模角、尺寸大小等),能夠很容易地完成針對傳統制造工藝的設計。雖然用于仿真這些傳統工藝的專業軟件早已存在,但在整個設計周期中卻很少用到它們。
在增材制造領域,就不再會是這種情況了。設計和制造工藝間的聯系要緊密得多,而且工程師在設計的初始階段就必須考慮工藝問題,以確保成功地制作出產品。
ANSYS的愿景
我們的遠期愿景是在ANSYS Mechanical中放置一個“打印”按鈕。在給定設計空間、工程要求和打印機參數的情況下,該軟件將能夠基于物理場生成一種即時打印的設計。該愿景看似是一個遙遠的目標,但它有助于我們聚焦研發計劃,形成明確清晰的工作思路。
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主要支柱
要實現面向增材制造的這一愿景,就必須解決三大關鍵問題:
-設計
-過程仿真
-材料行為和微觀結構
設計
為了充分利用增材制造設計自由度的優勢,并實現可靠的增材制造設計,需要在各個方面取得發展與進步。通過拓撲優化或網格和蜂窩布局的智能使用,能夠很好地發揮這種自由度。此外,在設計流程中加入增材制造設計規則,也是確保成功的關鍵所在。
拓撲優化
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拓撲優化能夠充分地利用增材制造所提供的設計自由度,從全新的設計開始到不斷迭代實現優化的設計,同時還可以修改零部件的基本形狀和尺寸。
拓撲優化并不是一項新技術,但希望利用該項技術優勢的公司目前仍要面臨多種障礙。多數情況下,拓撲優化器是一款獨立的解決方案其使用的求解器也相對簡單,進而限制了優化設計的精確度。當今的拓撲優化器要求用戶學習新的仿真環境,并且把優化后的設計轉換回另一個仿真環境,以進行驗證并開展其它物理場的仿真,如流體振動、非線性效應、熱及電磁輻射等。
當把拓撲優化嵌入到ANSYS Mechanical并使之成為ANSYS Workbench 工作流的一部分時,這些問題就能迎刃而解了。
網格與蜂窩設計
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拓撲優化通過從設計空間中去除材料的方法,可減少重量同時保持所需的強度。然而,很多設計都要求其表面適合裝配、呈流線型并且有流道等。在這些約束條件下減少重量的一個方法就是在體積中使用蜂窩設計,這不僅可保持表面,而且還能保持剛度不變。
將拓撲優化的密度分布與所需的網格間距和 / 或構件厚度相耦合,是使用基于物理的設計流程的一種理想方式。
設計規則

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打印過程的本質就是通過沉積工藝逐層添加材料,這自然而然會形成一些增材制造的基本設計規則(DFAM)。最小特征尺寸、方向和孔大小都是典型規則。這些規則已經作為后處理工具被加入到 ANSYS SpaceClaim,同時也將被納入拓撲優化算法中。
大多數規則都是特定針對于具體的打印工藝以及實際的打印制造商。此外,隨著經驗的不斷積累,這些公司會學習并調整對于規則上下界有影響的工藝參數。這些公司需要分層的規則引擎:基本的、機器設備特定的、公司的、以及現場的規則。
過程仿真
特別是對金屬來說,打印過程要求使用聚集的熱量來融化材料并將材料熔合到之前已經固化的材料層上。持續的加熱和冷卻周期會導致零部件彎曲。這種彎曲會造成零部件不合格以及打印機故障,試想一下制作完成六十個小時后零部件就損壞!此外,這一工藝還會造成足夠大的熱應力,進而導致零部件從支承板或構建板上斷開。
對構建過程進行仿真是實現成功設計的關鍵,這不僅是對零部件而言,對支承件也是如此,其既要從零部件上帶走熱量還要將零部件固定在構建板上,以防止零部件產生彎曲和熱應力。
材料行為
打印過程中,材料的行為會趨于非均質特性并在打印域中不斷改變。對金屬來說,加熱和冷卻周期會造成特定微觀結構的形成。因此,應該優先預測材料屬性,這樣才能對設計和 / 或工藝設置不斷調整,以獲得所需的材料特征。
為充分發揮增材制造的潛力,設計人員需要能夠指定所需的材料特征及其分布(例如指定某區域的硬度以及另一個區域的延伸率),同時還需要能夠撤銷設計和工藝設置以獲得理想的設置。
實現愿景
在仿真驅動的產品研發領域,ANSYS 有著悠久的歷史。為了將這一經驗推廣到增長制造領域,ANSYS 可充分利用大量現有的優勢:
-物理的廣度和深度
-拓撲優化和網格化等設計方法
-工作流與自動化
-功能強大的幾何模型操作和創建工具,包括用于創建和操作小面的工具
-與企業聯盟和學術界的緊密聯系

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ANSYS 將繼續優化和研發行業中最綜合全面的仿真軟件,讓頂尖設計人員能夠充分發揮增材制造等新技術的優勢,從而在未來研發出更輕量、更纖小、更持久耐用的產品。
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深圳市優飛迪科技有限公司成立于2010年,是一家專注于產品開發平臺解決方案與物聯網技術開發的國家級高新技術企業。

十多年來,優飛迪科技在數字孿生、工業軟件尤其仿真技術、物聯網技術開發等領域積累了豐富的經驗,并在這些領域擁有數十項獨立自主的知識產權。同時,優飛迪科技也與國際和國內的主要頭部工業軟件廠商建立了戰略合作關系,能夠為客戶提供完整的產品開發平臺解決方案。

優飛迪科技技術團隊實力雄厚,主要成員均來自于國內外頂尖學府、并在相關領域有豐富的工作經驗,能為客戶提供“全心U+端到端服務”。

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