在過去的 30 多年里，增材制造技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，尤其在醫(yī)療器械、航空領(lǐng)域尤為突出。其中激光束進(jìn)行金屬粉末床熔融的工藝應(yīng)用最為廣泛，由該工藝制造的零部件普遍兼具高設(shè)計(jì)自由度、高靈活性、優(yōu)異機(jī)械性能等特點(diǎn)。對于汽車行業(yè)，由于行業(yè)本身對成本、質(zhì)量及交付時(shí)間的嚴(yán)格要求，激光束粉末床熔融技術(shù)的應(yīng)用面臨著更高的挑戰(zhàn)，所以目前應(yīng)用目標(biāo)主要集中在高價(jià)、小批量生產(chǎn)的車輛或運(yùn)動(dòng)型跑車。

01保時(shí)捷GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車簡介

高性能運(yùn)動(dòng)跑車的制造數(shù)量有限，每年大約幾千輛，于是Ampower率先在該領(lǐng)域展開了增材制造的應(yīng)用研究。Ampower 看到了增材制造技術(shù)在汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)以及底盤系統(tǒng)的巨大應(yīng)用潛力。 

Ampower 對高端汽車增材制造技術(shù)的應(yīng)用做了相關(guān)研究——以保時(shí)捷 GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車的排氣管部件為研究對象，采用Simufact完成了整個(gè)增材制造工藝鏈分析。排氣管部件是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的外觀部件，因此對它的美觀性要求也很高。

排氣管部件通常采用不銹鋼或鈦合金材料制造。傳統(tǒng)的排氣管兩層鈑金通過深沖成形加工后通過焊接組裝到一起。考慮到該零件工作狀態(tài)下要面臨的振動(dòng)環(huán)境和腐蝕工況，對排氣管部件的機(jī)械性能也有特定的要求，尤其是需要注意焊縫區(qū)域應(yīng)力集中情況。另外，排氣管部件往往受到整體設(shè)計(jì)迭代的影響，例如一旦深沖模具需要重新制造會(huì)帶來非常高的成本投入以及訂貨交付時(shí)間嚴(yán)重超時(shí)。然而，增材制造在應(yīng)對設(shè)計(jì)變更方面的潛力是不容忽視的。設(shè)計(jì)變更不僅必須考慮部件本身還需考慮周邊組件、功能和裝配步驟等。對于增材制造而言，應(yīng)對設(shè)計(jì)變更的優(yōu)勢是：無模具制造（將大大縮短產(chǎn)品投入市場的時(shí)間）、實(shí)現(xiàn)均質(zhì)材料特性（將有效提升產(chǎn)品質(zhì)量）、部件的數(shù)量減少與之對應(yīng)的裝配工序減少（實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)）。

圖1 增材制造工藝鏈

圖 1 展示了排氣管部件的增材制造工藝鏈，采用激光束粉末床熔融技術(shù)進(jìn)行加工，其中在Simufact Additive中仿真模擬了由增材制造打印任務(wù)、熱處理、基板切割支撐移除、熱等靜壓這幾個(gè)關(guān)鍵階段。

圖2：保時(shí)捷 GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車排氣管部件設(shè)計(jì)變更，打印和后處理

圖 2 顯示了在Simufact Additive中采用鈦合金 Ti-Al6-4V 材料進(jìn)行打印過程仿真的結(jié)果。仿真計(jì)算過程中，結(jié)果可實(shí)時(shí)查看。

圖 3：Simufact Additive 仿真結(jié)果（左）打印件掃描結(jié)果（右）

對于復(fù)雜的自由曲面，采用光學(xué)3D掃描，例如：測量設(shè)備以及計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）可以精確的測量打印件的幾何。在本次研究中，CT 圖像結(jié)果被用于評估仿真工具的可靠性，例如變形情況預(yù)測和變形補(bǔ)償。從打印結(jié)果可以看出整體精度主要受到粉末床熔融過程中殘余應(yīng)力（材料以每秒上千度的速度冷卻時(shí)產(chǎn)生的）導(dǎo)致的變形和部件收縮的影響。

圖4：在Simufact Additive里直接進(jìn)行收縮線探測（左：打印件 右：仿真結(jié)果）

激光束粉末床熔融工藝仿真采用 Simufact Additive 軟件，通過固有應(yīng)變方法完成求解。CAD 模型采用體素單元進(jìn)行離散化，結(jié)合部件的壁厚，設(shè)置體素單元尺寸為 2mm。仿真結(jié)果包括應(yīng)力分布和變形的預(yù)測以及最終形狀的輸出。圖 3 對比了仿真結(jié)果與CT測量結(jié)果。可以看到仿真結(jié)果與實(shí)物測量結(jié)果吻合的較好，表面偏置情況和變形量與實(shí)際完全符合。通過 Simufact Additive 進(jìn)一步預(yù)測了成形缺陷“收縮線”。這些收縮線發(fā)生在匯聚部位的層與層之間，在凝固過程中留在表面上，外觀可見。圖 4 中可以看到實(shí)物打印部件的上部區(qū)域出現(xiàn)了收縮線，而仿真軟件準(zhǔn)確的預(yù)測了這一成形缺陷，下一步可以基于該結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。 

02 價(jià)值體現(xiàn)

本研究揭示了激光束粉末床熔融工藝在汽車薄壁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。然而，該工藝相對較高的成本將限制其應(yīng)用范圍為：小批量、高端產(chǎn)品的制造。Simufact Additive 準(zhǔn)確的預(yù)測了變形和收縮線，并可以基于仿真結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)一次成功打印的目標(biāo)。

03 增材制造工藝仿真方案

Simufact增材制造工藝仿真包括：金屬粉床熔融（PBF、SLM、DMLS等）、金屬粘結(jié)劑噴射成型（MBJ）的增材制造工藝、以及送絲送粉的增材制造工藝（DED）。

針對于粉床熔融的增材制造工藝仿真，Simufact Addiitive支持全工序鏈的仿真分析，包括：構(gòu)建（打印）、線割、支撐移除、熱處理、熱等靜壓（HIP）等，通過模擬可以有效預(yù)測變形、開裂、塌陷、刮刀碰撞、收縮線等失效問題，支持多種類型的支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)入與創(chuàng)建，支持支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、支撐方向優(yōu)化、考察基板變形、成本分析、反變形、自動(dòng)變形補(bǔ)償?shù)裙δ埽驅(qū)讲僮髂Ｊ较虏捎靡绘I式網(wǎng)格劃分，高效、簡易的前處理界面與后處理界面融為一體，極大地提高用戶仿真效率。

針對金屬粘結(jié)劑噴射成型，Simufact Addiitive 專業(yè)的MBJ模塊，可以進(jìn)行該工藝的燒結(jié)過程仿真，可以考慮粘結(jié)后的零件的致密度、燒結(jié)過程中的重力影響、通過輸入燒結(jié)工藝曲線仿真分析燒結(jié)過程中的收縮變形，而且具備自動(dòng)迭代補(bǔ)償變形的功能，能夠自動(dòng)迭代補(bǔ)償變形結(jié)果，幫助用戶解決燒結(jié)收縮變形等問題。

針對送絲送粉增材制造工藝仿真，Simufact Welding專業(yè)的DED模塊，主要用于送絲送粉式增材制造工藝的仿真。通過對增材制造過程及結(jié)束后的變形量、殘余應(yīng)力場、溫度場等結(jié)果進(jìn)行預(yù)測仿真，協(xié)助工程師對增材的工藝參數(shù)，G-Code路徑進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化，從而得到較優(yōu)的增材工藝參數(shù)，指導(dǎo)實(shí)際加工生產(chǎn)。針對金屬送絲送粉式工藝的增材制造，仿真軟件能夠自動(dòng)對工件變形進(jìn)行預(yù)測及反變形結(jié)果補(bǔ)償，協(xié)助工程師完成高質(zhì)量打印。

相關(guān)產(chǎn)品鏈接：https://www.anscos.com/simufact.html

更多信息 請關(guān)注庭田科技

全國熱線：400 633 6258

官方郵箱：info@anscos.com

【文章來自海克斯康工業(yè)軟件】