金屬增材制造是增長速度最快的制造領域之一。據《沃勒斯報告》（Wohlers Report）的統計數據，2017年金屬制品銷售額增長了80%。眾多行業的企業都希望能充分利用3D打印的速度和靈活性創建其金屬組件。最常見的工藝是利用激光粉末床熔化成型技術逐層構建金屬部件。在此過程中，激光首先會熔化金屬粉末，然后金屬變成固化。但是，這個過程會產生熱應力，而熱應力又會造成變形。最好的結果是部件不完全符合CAD模型尺寸，但是在允許的公差范圍內。由于變形的部件在打印過程中會干擾打印機器，最差的結果是在粉末刮板碰到部件的突出部分時，會損壞非常昂貴的機器。

PADT在大約25年前購買了第一臺3D打印機，此后一直在添加新設備。他們在該領域能向客戶供應六種不同的增材制造技術，而且每月可加工成百上千個部件。一年多以來，PADT一直在應用一種最新的技術，那就是：金屬的激光粉末熔化成型技術。在此過程中，工程師首先發現了殘余應力及變形問題。有些部件變形并不嚴重，但另外一些卻出現了像炸土豆片一樣的翹曲。在大多數情況下，公司的工程團隊都會設計薄的金屬結構，以作為突出部位的支撐和對部件的約束，直到其經過熱處理之后消除這些應力。不過，PADT此前僅考慮到需要哪些支撐，因而往往造成過度設計。其團隊目前采用ANSYS Additive Print不僅能優化支撐，同時還能補償變形進而避免刮板損壞。這就節省了大量時間。

團隊首先采用ANSYS Additive Print處理Monarch Power公司提供的部件?該公司正研發一種能讓用戶自行發電的創新型太陽能產品。在他們的新產品中，有一種配備有向心螺旋葉片壓縮機、內燃室和向心螺旋葉片膨脹機的小型燃氣輪機，非常適合采用增材制造，因為所有這些元件以及內置軸向磁通發電機都可以進行打印制造。它采用自支撐方式，不存在突出的幾何結構，而且外表面可以對所有內部結構形成約束，因而只有部件底部需要采用支架。ANSYS Additive Print預測了最小變形，并確定無需支撐件。根據Additive Print的建議，PADT制造了不帶支架的部件。實際構建的成品驗證了ANSYS模型。通過避免不必要的支架對部件產生的過度約束，PADT為客戶節省了大量時間與材料。

在設計用于增材制造的T型管時，仿真的替代方法是試錯法，這種方法即使花費數周時間以及數萬美元的打印、后處理與工程費用也只能得到與仿真相同的結果。此外，試錯法還會浪費材料和損壞粉末刮板。PADT輕松就證實了該模型非常適合渦輪機模型，然后還確定了用于糾正T型管打印錯誤的幾何結構。

仿真過程既簡單又直觀，而且制造助理人員在ANSYS Additive Print中完成了所有建模操作。Additive Print將構成未來金屬3D打印項目的組成部分，不僅能節省迭代次數和材料，同時還能更快地為PADT客戶提供精確的部件成品。

本文所述工作由PADT生產技術部Paraic O’Kelly與Anna Hayes完成。

推出專用于金屬增材制造的強大仿真解決方案

T型管的增材制造

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公司的團隊決定通過仿真和制造PADT已生產數十年的T型管模型對ANSYS Additive Print進行測試，以確定支撐結構以及塑料與金屬3D打印的精度。

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在采用PADT的標準3D打印前處理工具生成支架之后，團隊在Additive Print中執行了快速假設應變分析，并發現了模型沒有得到正確支撐。水平管底部前幾層嚴重變形，因而如果部件打印出來，這些層就有可能損壞支架并且造成機器破損。

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PADT員工采用ANSYS Additive Print 設計了支架。軟件預測出有0.4毫米的變形，而標準支撐是3.0毫米。

然后，他們采用ANSYS Additive Print的變形補償功能計算了局部變形，并修改了相關幾何結構，以使最終打印的形狀更接近預期尺寸。

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部件（包括支架）是在Concept Laser MLab激光粉末熔融機器中采用17-4PH不銹鋼打印而成。

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PADT掃描團隊采用ZEISS結構光掃描儀對拆除支架后的部件進行了檢驗。測量結果顯示，與額定CAD模型之間存在大約0.38毫米的偏差，這對于極易產生變形的部件而言已是不錯的結果。

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在對比了掃描結果與最終幾何結構后，工作人員發現支撐材料拆除后表面的粗糙（而非熱變形）導致了大部分的偏差。支撐附件粗糙表面之外的區域只有大約0.13毫米的變形，這表明優化后的支架以及ANSYS Additive Print的變形補償功能打印出了非常符合驗收公差的部件成品。