增材制造工藝模擬的案例
歐洲采用電弧增材制造工藝成功制造空間探索鈦壓力容器
WAAM3D公司將在未來幾個月向工業界提供所有這些工具，我們期待這將對工業大規模增材制造產生的影響。”
考慮增材制造工藝的結構設計簡介
增材制造的一大優勢是可以制造復雜結構的產品，使很多我們之前所熟悉的產品變得跟原來的設計相比，零件更少，材料更少，具備相同甚至更好的力學性能，可以說增材制造給設計師們賦予了更多的設計自由度。
但，由于增材制造與傳統機加方式的原理不同，為“堆積”材料的工藝。因此，在進行結構設計時需要考慮支撐結構，熱歷史，打印時長，成本，成型質量等各種因素。由此，增材制造設計方法（Design for Additive Manufacturing (DfAM)）應運而生。它是考慮增材制造工藝而開展結構設計的科學方法。
一、支撐
- The more support material you have the more cost due to printing time
支撐材料越多，打印時間成本越高
- The more support material you have the more material cost you will have
支撐材料越多，打印材料成本越高
- The more support material you have the more time for the finish is needed
支撐材料越多，打印完成時間越長
由此可知，支撐是影響增材制造的重要因素，合理設置支撐結構十分必要！
那么為什么要有支撐？支撐有什么用？怎樣設計支撐？
圖1 不同懸垂角添加支撐對比圖
作用一：支撐懸臂結構，保證打印順利進行
如圖1所示當零件具有超過一定的懸垂角度的結構時，則需要支撐結構來支撐成型，保證良好的質量，否則不能成功打印。
展開 金屬增材制造工藝的發展與技術綜述
MAM工藝的幾個商業變種被開發出來，發現了新的應用，如修理和重做關鍵和昂貴的零件。此外，MAM工藝生產的部件具有相對類似于鍛造和鑄造的物理機械。
結果表明，工藝參數和MAM工藝類型對沉積材料的機械性能有顯著影響。與SLS、EBM和DMLS相比，DED生成的表面具有更好的算法粗糙度。另一方面，SLS和DMLS比SLM、LAM和DED的構建速度更快。此外，在采用PBF工藝的情況下，產品的制造成本也較低。然而，據觀察，EBM和DED技術制造的產品具有較高的產品開發成本。
6.結論
本文對金屬增材制造的主要工藝進行了詳細的描述，并對金屬增材制造工藝的發展進行了圖解和詳細的說明，如線材增材制造工藝、粘結劑噴射工藝、粉末床熔接法和粉末直接能量沉積法。此外，這些技術根據所使用的原料分類，它們是液體基AM，固體基AM，線基AM，粉末基AM和直接能量沉積基AM。對于每一種AM技術，不同的工藝參數被比較在不同的材料應用。此外，本文還簡要介紹了各種AM技術在不同材料上的應用和機械性能。在回顧各種MAM過程時，可以得出以下結論:
?與液態金屬3D打印工藝相比，固態成形工藝可以生產復雜的幾何零件。
?基于固體的MAM工藝，如LOM和UAM，具有生產表面粗糙度為14μm的穩健設計的能力。
?線材激光增材制造與其他線材AM工藝相比具有更高的延伸率。
?基于粉末的MAM工藝能夠以更快的構建速度和更低的產品成本生產組件。這使得基于粉末的工藝廣泛地用于制造和重做關鍵的和昂貴的部件。
展開 面向增材制造工藝的打印數據準備解決方案
引言
增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM），通常也被稱為3D打印，是一種采用逐層堆疊或者燒結，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的新興制造技術，它與傳統的切削或去除材料的制造方法截然不同。增材制造的核心概念是通過逐層堆疊或添加材料，逐漸構建三維結構，而不是從一個塊材料中削減或去除材料以獲得所需形狀。針對這一技術，除了打印設備，軟件技術中的增材制造結構設計、工藝仿真、制造工藝數據處理、打印數據準備等也是該技術的核心關鍵。
增材制造工藝方案
海克斯康增材制造工藝方案涵蓋了整個增材制造工藝流程，從前端結構輕量化設計、創成式設計、拓撲優化，實現增材結構的設計，到增材制造結構定位、支撐創建、定位和排布、打印策略、打印過程仿真、層切片數據可視化、成本評估，實現增材過程的參數準備，還涵蓋了增材制造工藝仿真優化，預測打印過程的變形、開裂、收縮線、卡刮刀、應力集中等，通過變形補償自動優化，幫助實現一次打印成功。補償優化后的結構，可以再次進行結構的優化設計，也可以進行打印參數準備，實現增材制造工藝參數的閉環。幫助用戶解決3D打印過程中的問題。
圖：海克斯康增材制造工藝方案示意
金屬增材制造工藝打印數據準備
海克斯康旗下的CADS Additive GmbH與Simufact 增材制造工藝仿真、Apex Generative Design創成式設計等軟件形成完整的增材制造方案，幫助用戶解決增材制造過程中的各個階段面臨的問題，其中CADS Additive的AM Studio提供了面向金屬增材制造工藝打印參數準備方案，可實現輔助零件定向、支撐創建、定位和排布、打印過程仿真、打印策略、層切片數據及可視化層切片數據、成本評估等。
展開 
一種新型金剛石增強銅基復合材料增材制造工藝
這些方法需要在高溫高壓的條件下進行，不僅制造成本高，而且制造效率低下。此外，復合材料樣品的尺寸還受到加工模具和高溫加熱設備內部空間的限制。為了克服上述問題，超聲波增材制造方法成為一種理想的選擇。這種方法屬于低溫制造方法，具有加工溫度低、工藝設計自由度高、清潔高效等優勢。通過超聲波增材制造方法，可以降低金剛石增強銅基復合材料的制造成本，并實現復雜幾何形狀的制造。
02
成果掠影
近期，哈爾濱工業大學張洪濤教授和何鵬教授帶領的團隊通過對金剛石增強相顆粒的表面金屬化處理和空間位置約束，并在超聲波低溫固結技術下實現了金剛石強化相顆粒在層壓復合材料中穩定存在及其復合材料的自由成形和加工制備。該研究采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）、聚焦離子束（FIB）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）分析了cr-金剛石與銅基質的微觀結構和界面構型。此外，利用電子后向散射衍射（EBSD）方法評價了cr-金剛石顆粒周圍基體的微觀結構演化。結果表明，鉻-金剛石由于劇烈的塑性變形，與基體形成了良好的固體粘合。Dia/Cu復合材料的導熱系數為428.07 ± 3.3W/mK，金剛石體積分數為8.8%。這一工藝的研究為低溫、低壓、自由設計和開放的顆粒增強金屬基體復合材料的制造開辟了新的途徑。
展開 尋找增材制造的那根肋骨—DfAM與工藝仿真之路
同樣，作為面向增材設計工程師的Workbench Additive通過熱力耦合算法，可以對打印過程、熱處理過程的溫度變形和殘余應力及增材制造對應的相關后處理工序：去基板及去支撐過程的變形及殘余應力進行有效預測，且能與拓撲優化形成無縫流程，幫助工程師們完成DfAM增材制造設計一體化流程。
04結 語
盧秉恒院士在《增材制造技術——現狀與未來》一文中提出: 建立“應用發展為先導、技術創新為驅動、產業發展為目標”的研究發展思路，以推進增材制造技術的發展，為創新型國家建設提供有力支撐。借工藝仿真的力量，DfAM增材制造一體化流程得以更加完整，從制造過程的物性變化到復雜結構零件的成形風險控制，一件合格的產品，從設計到打印，乃至大批量增材制造零件的生產, 仿真都不能缺席。
作者：張圓，激光增材制造方向工學碩士，安世亞太DfAM賦能業務部增材工藝仿真工程師，擅長金屬增材工藝仿真及航空航天類零件增材工藝研發。
增材思維，數智未來
展開 ：增材制造新工藝打印金屬納米結構
【引言】
增材制造是一種能將各種材料逐層制造成三維結構的工藝，其中金屬增材制造工藝徹底改變了航空航天、汽車和醫療應用中復雜零件的生產。然而目前增材制造工藝分辨率僅為20-50μm，嚴重限制了納米級復雜3D結構金屬器件的生產。而納米級金屬具有特殊的性能，因此需開發一種制造具有宏觀總體尺寸和微觀亞微米3D金屬結構的工藝。目前等離子沉積和電子束自由成形制造之類的基于線和細絲的工藝可以生產毫米尺寸的器件，選擇性激光熔化（SLM）和激光工程網狀成形等基于粉末的工藝可將最小特征尺寸限制在20μm左右，局部電鍍或金屬離子還原方法可非常緩慢的制造分辨率小于500nm的結構，電化學制造（EFAB）允許制造分辨率為10μm的結構，但限于層厚4μm，總高度為25-50層的結構。
【成果簡介】
近日，美國加州理工學院Julia R. Greer（通訊作者）在Nat.Commun.上發表了一篇題為“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”的文章。該團隊通過合成含有鎳聚合物的雜化有機 - 無機材料，并用其制造光刻膠，利用雙光子光刻技術（TPL）以及熱解制造了分辨率為25-100納米的復雜三維金屬幾何圖形。該過程容易且可重復，為創建具有納米尺度分辨率的復雜三維金屬結構提供了有效的途徑。
【圖文解讀】
圖一 納米金屬增材制造工藝和樣品的SEM表征
(a) 配體交換反應用于合成金屬前驅體；
(b) 混合金屬前驅體，丙烯酸樹脂和光引發劑以形成富含金屬的光刻膠；
(c) TPL工藝示意圖；
(d) 金屬聚合物制備；
(e) 熱解去除有機物并將聚合物轉變為金屬；
(f-j) 代表性的SEM圖像。
展開 設計仿真 | 面向增材制造工藝的打印數據準備解決方案
01 引言
增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM），通常也被稱為3D打印，是一種采用逐層堆疊或者燒結，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的新興制造技術，它與傳統的切削或去除材料的制造方法截然不同。增材制造的核心概念是通過逐層堆疊或添加材料，逐漸構建三維結構，而不是從一個塊材料中削減或去除材料以獲得所需形狀。針對這一技術，除了打印設備，軟件技術中的增材制造結構設計、工藝仿真、制造工藝數據處理、打印數據準備等也是該技術的核心關鍵。
02 增材制造工藝方案
海克斯康增材制造工藝方案涵蓋了整個增材制造工藝流程，從前端結構輕量化設計、創成式設計、拓撲優化，實現增材結構的設計，到增材制造結構定位、支撐創建、定位和排布、打印策略、打印過程仿真、層切片數據可視化、成本評估，實現增材過程的參數準備，還涵蓋了增材制造工藝仿真優化，預測打印過程的變形、開裂、收縮線、卡刮刀、應力集中等，通過變形補償自動優化，幫助實現一次打印成功。補償優化后的結構，可以再次進行結構的優化設計，也可以進行打印參數準備，實現增材制造工藝參數的閉環。幫助用戶解決3D打印過程中的問題。
圖：海克斯康增材制造工藝方案示意
03 金屬增材制造工藝打印數據準備
海克斯康旗下的CADS Additive GmbH與Simufact 增材制造工藝仿真、Apex Generative Design創成式設計等軟件形成完整的增材制造方案，幫助用戶解決增材制造過程中的各個階段面臨的問題，其中CADS Additive的AM Studio提供了面向金屬增材制造工藝打印參數準備方案，可實現輔助零件定向、支撐創建、定位和排布、打印過程仿真、打印策略、層切片數據及可視化層切片數據、成本評估等。
展開 GOM三維掃描助力增材制造產品質量升級及工藝流程優化
增材制造的工業化進程仍在繼續，以前，增材制造主要用于小規模的原型設計，而如今，許多行業越來越多地使用增材制造技術來優化工藝流程和配置產品。使用3D打印可以高效地生產塑料件、金屬件等，尤其是具有復雜幾何形狀的組件，在快速成型、模具加工和產品制造中都有著十分廣泛的應用。
GOM高慕光學測量公司擁有領先的藍光掃描技術，為醫療、汽車、航空航天、模具和消費品等行業提供全面的工業級增材制造解決方案。從材料驗證到3D建模，再到對3D打印件的尺寸和表面缺陷的檢測，可以對增材制造的整個工藝流程進行全面的過程控制。
確定材料特性
仿真模擬在增材制造中起著至關重要的作用，尤其是針對具有復雜幾何形狀的3D打印件。ARAMIS系統有助于確定材料特性以進行材料建模，從而充分掌握零件在壓力下的結構行為。通過使用光學3D測量技術，您可以在變形測試中定義經典和復雜的材料屬性，例如晶格參數和支撐結構。這個過程可大大縮短開發和測試運行的時間。
3D打印件后處理
GOM的ATOS系統可以在不同的工藝步驟之間對增材制造零件的表面進行數字化處理，提供高質量網格，從而精確測量由于熱處理和從制造板上移除零件而在工藝過程中發生的變形。3D打印部件通常必須進行返工，以改進其功能以及與其他部件的連接方式。GOM檢查軟件可以分析表面缺陷、部件的原點和對齊以及任何更改可能導致的測量偏差，以此對3D打印件進行有效的后處理。
高效的過程控制
借助ATOS 3D坐標測量系統，您可以在整個增材制造過程中分析其不確定性和問題區域。ATOS測量頭在各個工藝步驟之間進行幾何分析，以快速識別尺寸偏差發生的時間和位置。3D打印的零件通常需要認證。借助ARAMIS，您可以生成動態的全場載荷證據。
展開 【行業動態】首套航空航天增材制造材料與工藝標準
近日、國際自動機工程師學會 航空航天材料增材制造委員會（AMS-AM）發布了首套行業增材制造材料與工藝標準，包括4項具體標準，主要涉及基于粉末床的激光熔融（LPBF）增材制造技術。
美國聯邦航空管理局（FAA）在2015年便要求SAE成立技術委員會，制定航空航天材料標準與相關文件，以協助FAA進行航空航天裝備增材制造零部件認證，其中也包括質量要求非常嚴格的商用飛機的認證。SAE相關人員表示，此次發布的標準可以支持航空航天裝備關鍵部件的認證，并保證供應鏈內材料性質數據的完整性與可追溯性。
此次發布的增材制造標準具體為：
AMS7000，經應力消除、熱等靜壓和固溶退火的62Ni21.5Cr9.0Mo3.65Nb耐腐蝕耐熱鎳合金LPBF增材制造零部件
AMS7001，用于增材制造的62Ni21.5Cr9.0Mo3.65Nb耐腐蝕耐熱鎳合金粉末
AMS7002，用于航空航天裝備零部件增材制造的原材料制備工藝要求
AMS7003，基于粉末床的激光熔融工藝
來自超過15個國家的350多個SAE成員單位參與了此套標準的編制工作，包括飛行器與發動機原始設備制造商、材料供應商、運營商，設備/系統供應商，服務提供商等。SAE相關人員表示，來自北美、歐洲及其他地區的航空航天領域科研生產單位與監管部門花費了大量精力編制了本套初步的材料和工藝標準，以滿足監管部門對增材制造這項新興技術認證指導材料要求。SAE將繼續編制金屬與聚合物材料增材制造標準，推動增材制造在航空航天領域內的應用。
展開 前波音3D打印負責人：如何保障增材制造工藝的一致性？
其中，關于Kevin Slattery博士的一篇題為“簡化增材制造的認證和資格”的文章強調了供應商資格的四個方面，也是對規范3D打印零件質量的總結性倡議：
1.設施
2.機器/工藝
3.部分
4.批次驗收。
想要在資格認證方面邁出的第一步，你會發現，其中最重要的一條就是控制零件的制造方式。這說起來簡單，做起來難！這需要全面了解零件的制造過程。正是這種對整個制造過程的真正理解才能創造出一致性，而一致性是基本要求。
對于3D打印，最終用戶當然期望每次都能得到一個質量保證的零件。大多數增材制造的產品需要整個供應商產業鏈來共同完成，因此每個參與者都有責任保持一致性，它不能靠運氣來實現。在開發階段和產品的整個生命周期中，一致性必須是統一的目標。
△除了材料和工藝規范外，許多因素都會影響增材制造工藝的一致性。必須控制所有過程來保證。圖片來自Barnes Global Advisors
建立一致性的兩個關鍵點：
第一步是3D打印材料和工藝規范。上圖顯示了影響一致性的其他因素，包括檢驗、后處理、質量控制以及包裝和運輸。
第二步還要注意可能發生的變量，例如存儲、培訓、維護和采購。對于供應商而言，還需要重點關注第二步，才能進入量產環節。
“如何去打造一致流程？” 這是一個非常重要的問題。這個問題成為后續每個步驟的基礎。如果好的零件從機器上下來但沒有受控或記錄的過程，那么人們不能隨意就進入下一個環節。對于每種增材制造技術，過程控制的3D打印和驗證是制造業務邁向成的推動力之一。
3D打印零件客戶期望的是一致性。就像您最喜歡的漢堡和熟悉的味道，一致性不僅成為一種期望，而且將成為未來業務的要求。
展開 
設計仿真 | 軸承座創成式設計到增材制造工藝仿真應用
Simufact
增材制造（“3D打印”）技術集先進制造、智能制造、綠色制造、新材料、等技術于一體的新技術。增材制造技術從原理上突破了復雜異型構件的技術瓶頸，實現材料微觀與宏觀的可控成形，從根本上改變了傳統“制造引導設計、可制造性優先于設計、傳統經驗設計”的設計理念，真正意義上實現了創成式式設計、拓撲優化設計的轉變，為航空、航天、機械、汽車、電子等以及新產業的發展開辟了巨大空間。那么針對創成式增材結構設計到增材工藝一體化評估，海克斯康提供了完整的解決方案。
01
創成式設計解決方案
海克斯康的創成式設計軟件MSC Apex Generative Design具有增材制造工藝做結構設計與優化功能，一改傳統拓撲優化軟件操作復雜、需多個平臺（多個人員）數據傳遞、結構強度不足等弊端，堅持做具有高度自動化、操作簡單、以應力為導向的創成式設計平臺，創建光順、輕質、一體的“有機”結構設計，真正做到為增材制造提供質量好、重量輕、結構美觀的產品設計。
海克斯康的金屬增材制造工藝仿真解決方案Simufact Additive更是在國內外增材制造加工領域享有很高的知名度，作為為全球客戶服務的增材制造的仿真解決方案，Simufact Additive可對粉床熔融、粘結劑噴射、機加等增材制造工藝進行仿真分析。Simufact Additive軟件主要工作內容是在3D金屬打印前，通過對打印過程、掃描策略、工藝參數、基板螺釘卸載、線割、熱處理、HIP、支撐移除等過程仿真，預測打印變形、打印開裂、收縮線、卡刮刀等制造缺陷，軟件具有支撐優化、變形補償自動迭代優化功能，幫助用戶優化打印變形，做打印可行性分析、成本評估等，通過多種仿真分析方法，幫助客戶快速對比不同的打印方案，實現一次打印成功，降低試錯次數，從而節省成本。
展開 設計仿真 | Simufact Additive仿真預測電子產品打印缺陷，優化增材制造工藝
引言
隨著增材制造技術的不斷成熟，增材制造工藝在電子行業的滲透率不斷增加，其在電子行業的應用主要體現在消費電子、柔性電子、先進封裝等領域，通過高精度增材制造技術實現個性化、復雜結構的零部件的快速制造。
電子產品中的金屬結構件在3D打印過程中會遇到打印變形超差、開裂等問題，尤其在首次打印結構件時，沒有過往經驗可借鑒，只能通過不斷試錯來尋找解決方案。
對于前期工藝開發，借助增材仿真專業軟件，可減少試錯次數，有效縮短研發周期。Simufact Additive增材制造仿真軟件，憑借其簡潔易用、多種算法、求解精確、功能完善、自動優化補償、結合掃描數據高級補償功能等優勢贏得了眾多用戶的好評。
增材制造工藝仿真方案
Simufact Additive 增材制造仿真軟件主要功能包括鋪粉增材制造工藝仿真、鋪粉增材制造工藝缺陷分析仿真、金屬粘結劑噴射成型工藝仿真、機加仿真分析，算法上涵蓋了固有應變、熱學分析、熱力耦合分析，包含制造過程和校核功能分析，針對鋪粉增材制造工藝，軟件可實現增材過程分析、熱處理、熱等靜壓、線割、支撐移除等工藝過程全流程仿真分析。通過Simufact Additive對增材制造過程仿真分析主要打印變形、開裂、卡刮刀預測、收縮線、應力、應變、相變、匙孔、表面粗糙度等，并且軟件具有變形補償自動優化，能夠將優化后的結構導出STEP等格式，最終幫助用戶實現一次打印成功。
表殼增材應用案例
通過Simufact Additive增材仿真軟件對表殼增材工藝研究，軟件可以幫助研究不同的擺放角度對打印變形的影響、不同的支撐方式的影響、變形補償自動優化、打印后消除殘余應力熱處理等影響。該案例主要工藝過程為打印——線割——支撐移除。
展開 案例分享 | 靈活的增材制造工藝：仿真技術如何支持3D原型設計
圖2:從設計到生產完成——盡可能地減小變形這歸功于Simufact Additive
增材制造的工藝仿真使得MBFZ toolcraf 能夠靈活、快速的響應客戶的要求，例如更改設計、顯著縮短上市時間。強大的仿真解決方案所提供的虛擬工程，使得3D打印項目的開發過程更加緊湊。而這種方法的實現完全得益于可靠的增材制造仿真軟件Simufact Additive。
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展開 高強度、超低收縮率聚酰亞胺增材制造新方法及工藝裝備
本工作中，研究人員建立一種新型的“光固化聚酰胺酸前驅體+熱酰亞胺化”策略，提出利用UV-輔助直書寫打印（UV-DIW）技術完成高性能聚酰亞胺的直接三維復雜成形，實現了相關的材料制造與裝備工藝技術專利創新。
圖1. 直書寫增材制造聚酰亞胺墨水制備方法及原理
該3D打印聚酰亞胺材料的機械性能、耐熱性及熱機械性能在領域內首次達到傳統PI材料的80%，尺寸收縮率僅為6%（同于FDM、SLA等主流3D打印技術）。研究人員認為：實現如此優異的聚酰亞胺材料增材制造，并非是隨手牽來，需要反復的材料－定制化制造工藝摸索，而最終所有的過程參數都是在一個較為窄的區間才能能夠達到穩定的最優效果。在雙方團隊獲取高性能聚酰亞胺材料基礎上，進一步實現多種可定制（其它打印技術無法做到）的構件制造，如曲面聚酰亞胺成形、自由結構（如彈簧、單支懸空件）及耐高溫聚酰亞胺導線（圖2）。更為重要的是，該方法策略不僅適合本研究體系下的聚酰亞胺前驅體制造，而且這種制備方同樣適合其它聚酰亞胺體系，由此能夠實現所有通用聚酰亞胺前驅體的增材制造。因此，打印制備的復雜結構機械零部件和模型，有望能夠在微電子、仿生材料、人體醫療、航空航天、汽車制造等領域得到發展和應用，為3D打印先進制造技術在高精度、高耐熱性、高強度的復雜結構零部件和機構的直接快速成型制造方面提供了新的機遇。對此研究人員對這項技術方法和材料申請了多項國內及國際專利，并合作進一步實現以聚酰亞胺材料為主體的3D制造工藝裝備創新與一站式產業化應用，相關成果已經獲得國內部分科研院所與企業的高度關注。
圖2. 直書寫增材制造聚酰亞胺功能器件及應用
來源：高分子科學前沿
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