為了研發(fā)一款按照工業(yè)最終用戶需求減少抽運能量的新型過濾器，Croft公司的工程師推斷出，讓過濾器孔與流量保持一致可以降低驅(qū)動流體所需的抽運能量。這種過濾器設(shè)計需要極其復雜的內(nèi)部輪廓，無法通過傳統(tǒng)制造方法制造，因此Croft轉(zhuǎn)而采用金屬增材制造技術(shù)。Croft采用的選區(qū)激光熔化(SLM)增材制造工藝利用移動激光束按順序熔化粉末床的微小區(qū)域，從而生產(chǎn)部件。

在每個熔化區(qū)域冷卻的過程中，它會經(jīng)受壓縮力和張力，但同時會受到附近固體區(qū)域的附著力的約束。最終的殘余應(yīng)力有可能導致部件翹曲。過去，Croft工程師通過試錯方法消除翹曲，或者至少把它降低到可以滿足尺寸容差的程度。通過采用ANSYS Additive Print解決方案幫助解決變形問題，Croft工程師把解決時間和原型構(gòu)建費用減少了50%。

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采用SLM工藝制造的過濾器

在SLM工藝中，一個刮板會推著一層薄的金屬粉末（本例中為316L不銹鋼）在打印床上移動，而激光光束掃描粉末層以熔化該層的相應(yīng)區(qū)域，從而構(gòu)成部件截面。在每層完成之后，另一層粉末則打印到未完成的部件上，同時激光器熔化新的截面。這個循環(huán)一直持續(xù)到部件完工。

隨著頂層部件的每個區(qū)域冷卻，凝固的底層可以抵抗熱收縮，從而對頂層施加拉伸應(yīng)力。同樣，頂層對其下面的固態(tài)區(qū)域施加抗壓應(yīng)力。部件的幾何結(jié)構(gòu)以及增加用于支撐懸垂部分和傳導熱量的輔助結(jié)構(gòu)將會對殘余應(yīng)力產(chǎn)生十分重要卻難以預(yù)測的影響。運動自由度較高的區(qū)域具有較低的殘余應(yīng)力，而限制運動的區(qū)域具有較高的殘余應(yīng)力。在本例中，成品部件并未達到制造公差要求，因為殘余應(yīng)力在x與y平面導致多處變形，而且在z平面導致延伸。

Croft工程師過去一直依靠試錯法，以確定如何改變部件定向、支撐結(jié)構(gòu)、機器參數(shù)、材料規(guī)范以及組件設(shè)計方案來滿足制造公差。采用這種方法一般需要四個星期的時間才能獲得令人滿意的部件，而且要消耗大量資源（包括工程時間）才能生成新的設(shè)計迭代。另外在增材制造系統(tǒng)上需要花費更多的打印時間，而且制造額外的原型需要更多的金屬粉末材料。

“Croft過濾器的解決時間和原型構(gòu)建費用減少了50%。”

采用仿真解決增材制造問題

在本項目中，仿真實現(xiàn)了一種更快速而且更低成本的方法。Croft工程師把原始STL文件上傳到了Additive Print。Additive Print提供了圖形可視化功能，以反映整個構(gòu)建部件上的逐層應(yīng)力積累和高應(yīng)變區(qū)域。軟件預(yù)測了構(gòu)建部件的變形與殘余應(yīng)力，包括顯示了原始幾何結(jié)構(gòu)、未變形幾何結(jié) 構(gòu)、最終變形幾何結(jié)構(gòu)之間以及從支撐移除前后的差異。這些結(jié)果提供了通過其他方式無法獲得的診斷信息。

仿真結(jié)果顯示，變形主要是由于高強度頂部部件（固體環(huán)），其在濾網(wǎng)的較薄弱上層部分引起了殘余應(yīng)力。工程師通過仿真帶和不帶頂部部件的過濾器，對這種假設(shè)進行了測試。如果沒有頂部部件，則結(jié)果顯示沒有任何變形。Croft工程師制造了無頂部部件以證實這些發(fā)現(xiàn)，而結(jié)果與仿真相匹配。頂環(huán)是保持部件結(jié)構(gòu)完整性的重要組件，但是工程師發(fā)現(xiàn)它在制造過程中會產(chǎn)生變形，這個信息對于設(shè)計過程非常寶貴。

推出面向金屬增材制造的
強大仿真解決方案

滿足設(shè)計規(guī)范

Croft工程師嘗試為濾網(wǎng)增加支架。這些支架與頂環(huán)連接，以提高過濾器頂部濾網(wǎng)區(qū)域的強度。他們嘗試采用兩種螺旋支架幾何結(jié)構(gòu)，旨在避免限制流體而且不增加太多的材料和制造時間。此外，他們把入口的形狀改變成五邊形，以增加入口面積，同時保持孔口自支撐和減少所需的支撐材料。當他們仿真新設(shè)計時，結(jié)果證明變形得到大幅改善，但是仍然不符合此產(chǎn)品要求。

工程師然后使用了 Additive Print中的自動補償功能，其可以調(diào)節(jié)幾何結(jié)構(gòu)，以補償變形。此功能使部件壁面向變形的相反方向移動，以實現(xiàn)原始設(shè)計幾何結(jié)構(gòu)。他們仿真了變形補償模型，發(fā)現(xiàn)變形被過度補償，從而導致了與原始幾何結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的變形方向相反的少量變形。因此，他們使用Additive Print創(chuàng)建了新的幾何結(jié)構(gòu)，并將變形補償比例設(shè)置為原始數(shù)值的0.75、0.50和0.25。所有這些模型的仿真結(jié)果仍然顯示變形補償不足。工程師最后創(chuàng)建了變形補償比例為0.90的模型。此設(shè)計幾乎消除了變形，而且滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

增材制造技術(shù)使企業(yè)能夠打印出傳統(tǒng)減材制造方法無法生產(chǎn)或者制造成本非常高的部件。但是，努力把增材制造融入現(xiàn)實制造工藝的企業(yè)往往需要實施多次試錯過程，才能順利生產(chǎn)出高保真度部件。仿真可以指導工程師順利創(chuàng)建部件和過程，而費用和研發(fā)周期僅為試錯方法所需的幾分之一。Croft工程師仿真了增材制造過程，以確定最佳部件設(shè)計和機器工藝參數(shù)，同時最大限度減少物理原型數(shù)量。此部件的設(shè)計已經(jīng)完成，并準備用于產(chǎn)品投放。