鑄件變形補(bǔ)償技術(shù)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-07-04
鑄件變形補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)例教程
變形超差是金屬粉床熔融工藝中的主要挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)的手動(dòng)補(bǔ)償、設(shè)計(jì)加工余量或多次物理試錯(cuò)等方法，越來越多的制造業(yè)從業(yè)者們認(rèn)識(shí)到Simufact Additive增材制造仿真軟件的優(yōu)勢(shì)：通過仿真模擬減少物理試錯(cuò)，有效降低打印成本。
事實(shí)上，自Simufact Additive軟件首個(gè)版本發(fā)布起，就已包含手動(dòng)反變形功能。隨著對(duì)工藝?yán)斫獾纳钊牒凸δ艿某掷m(xù)開發(fā)，自動(dòng)迭代補(bǔ)償功能因其高效性和易用性，受到越來越多用戶的青睞。用戶只需在工藝優(yōu)化選項(xiàng)中勾選“自動(dòng)迭代補(bǔ)償計(jì)算”，并輸入目標(biāo)容差（即可接受的變形量），軟件便會(huì)自動(dòng)進(jìn)行迭代計(jì)算，直至補(bǔ)償模型的打印結(jié)果精度達(dá)到容差范圍內(nèi)。計(jì)算完成后，用戶可直接輸出預(yù)補(bǔ)償模型以便打印需要。
Simufact Additive 自動(dòng)變形補(bǔ)償效果
Simufact Additive
鋪粉增材高級(jí)掃描補(bǔ)償功能介紹
隨著增材制造反變形自動(dòng)補(bǔ)償功能的廣泛應(yīng)用，實(shí)際結(jié)構(gòu)遇到的局部變形補(bǔ)償問題，或因?qū)嶋H打印參數(shù)波動(dòng)等引起的局部變形問題，對(duì)打印變形控制提出了新的挑戰(zhàn)。為更靈活地解決這類問題，Simufact Additive提出了新概念——混合補(bǔ)償。其解決思路是：將軟件生成的預(yù)補(bǔ)償模型用于打印后，受打印條件、校核精度、參數(shù)波動(dòng)等多因素影響，打印件仍可能存在超差問題。此時(shí)，可以將打印后的模型進(jìn)行掃描后，再次將掃描模型文件輸入到軟件中，軟件可以對(duì)掃描模型文件再次做補(bǔ)償。
通過迭代補(bǔ)償與掃描補(bǔ)償技術(shù)的層層優(yōu)化，可更有效地控制打印精度。但實(shí)現(xiàn)此功能不僅需軟件中鋪粉模塊與測(cè)量模塊聯(lián)合使用，還需要用戶能夠通過掃描設(shè)備獲取掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并且此方法對(duì)掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高。
展開 第二次仿真時(shí)，為了更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)從底板上移除之后的變形，研究人員選擇了塑性變形（J2）。對(duì)于該幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)變形補(bǔ)償因子（DCF）是 1 時(shí)，截?cái)嗪蟮膸缀谓Y(jié)構(gòu)與目標(biāo)形狀非常接近。將 exaSIM 創(chuàng)建的 STL 文件（DCF 為 1）用作最終構(gòu)建時(shí)的輸入幾何結(jié)構(gòu)。
結(jié)果
如圖 3 所示，截?cái)嗪蟮牡谝淮畏抡娼Y(jié)果預(yù)測(cè)減震架處（外圓）的變形最嚴(yán)重。exaSIM 預(yù)測(cè)使 DCF 為 1 可以糾正此變形。如圖 4 所示，這些預(yù)測(cè)都十分準(zhǔn)確。在通過變形補(bǔ)償文件獲得的幾何結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建的減震架沒有變形；而如果使用初始幾何結(jié)構(gòu)作為輸入來構(gòu)建部件，減震架與預(yù)期的幾何結(jié)構(gòu)之間存在顯著變形。這些結(jié)果表明，在從襯底移除后可利用變形補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)精確的部件，無需進(jìn)行熱處理。
結(jié)論
此案例研究展示了 exaSIM 變形補(bǔ)償工具的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)人員和 AM 機(jī)械操作人員可利用激光粉末熔融增材制造技術(shù)制造完美的部件，而且在將部件從底板上移除之前無需采用昂貴的熱處理和應(yīng)力消除工藝。按照本案例研究中介紹的過程，exaSIM 用戶可針對(duì)具體的機(jī)械 / 材料 / 過程參數(shù)組合來調(diào)整 SSF 并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)部件變形效果，無需額外進(jìn)行試錯(cuò)試驗(yàn)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。
展開 為方便對(duì)比分析，在葉片的凹面和凸面各取了6個(gè)點(diǎn)，并提取數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如下表所示：
通過觀察，零部件在打印過程中最大的變形量在高度4mm~12mm范圍上，變形最大在在兩個(gè)加強(qiáng)筋之間位置的點(diǎn)位1處，向外凸起約0.46±0.01mm。
反變形補(bǔ)償
為了抑制零部件在打印制造過程中的變形量，使用Simufact Welding 反變形補(bǔ)償功能，將變形后的零部件進(jìn)行反變形補(bǔ)償。變形與反變形比例縮放示例如下，將計(jì)算得到的變形結(jié)果放大5倍顯示，再將其反變形放大5倍（5倍是為了更好的演示功能，實(shí)際反變形應(yīng)反向放大1倍左右）。
反變形補(bǔ)償是一種用于抑制變形的好方法，我們從幾何輸入端進(jìn)行修正，使用反變形補(bǔ)償的方式將未來可能的變形進(jìn)行反向補(bǔ)償，二者疊加后將得到高精度打印結(jié)果。其計(jì)算的機(jī)理是通過仿真所得的變形結(jié)果與原始CAD數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，然后將差異反向作用在原始CAD模型上，看似得到了一個(gè)“錯(cuò)誤”的幾何模型，但用它進(jìn)行實(shí)際打印，將得到精度非常高的實(shí)體零部件。
補(bǔ)償效果
通過進(jìn)行反變形補(bǔ)償，將得到的CAD數(shù)模進(jìn)行正向仿真分析。依據(jù)補(bǔ)償后的數(shù)模進(jìn)行網(wǎng)格的創(chuàng)建與路徑的微調(diào)，其他打印參數(shù)將與原始模型保持一致。經(jīng)調(diào)整，原始17.4m的總路徑長(zhǎng)度變成了17.8m。仿真結(jié)果如下圖所示，反變形補(bǔ)償后，零部件的變形得到了有效抑制。
將原始結(jié)果的6個(gè)變形位置進(jìn)行從新提取分析可得，點(diǎn)位2到6的變形量?jī)H在負(fù)的0.05mm到0.02mm之間。點(diǎn)位1處的變形量最大，約為0.15mm，但原始變形量0.43mm相對(duì)比，已經(jīng)衰減了約65%。補(bǔ)償前后的變形對(duì)比如下表所示。
展開 為方便對(duì)比分析，在葉片的凹面和凸面各取了6個(gè)點(diǎn)，并提取數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如下表所示：
通過觀察，零部件在打印過程中最大的變形量在高度4mm~12mm范圍上，變形最大在在兩個(gè)加強(qiáng)筋之間位置的點(diǎn)位1處，向外凸起約0.46±0.01mm。
反變形補(bǔ)償
為了抑制零部件在打印制造過程中的變形量，使用Simufact Welding 反變形補(bǔ)償功能，將變形后的零部件進(jìn)行反變形補(bǔ)償。變形與反變形比例縮放示例如下，將計(jì)算得到的變形結(jié)果放大5倍顯示，再將其反變形放大5倍（5倍是為了更好的演示功能，實(shí)際反變形應(yīng)反向放大1倍左右）。
反變形補(bǔ)償是一種用于抑制變形的好方法，我們從幾何輸入端進(jìn)行修正，使用反變形補(bǔ)償的方式將未來可能的變形進(jìn)行反向補(bǔ)償，二者疊加后將得到高精度打印結(jié)果。其計(jì)算的機(jī)理是通過仿真所得的變形結(jié)果與原始CAD數(shù)模進(jìn)行比對(duì)，然后將差異反向作用在原始CAD模型上，看似得到了一個(gè)“錯(cuò)誤”的幾何模型，但用它進(jìn)行實(shí)際打印，將得到精度非常高的實(shí)體零部件。
補(bǔ)償效果
通過進(jìn)行反變形補(bǔ)償，將得到的CAD數(shù)模進(jìn)行正向仿真分析。
展開 模具補(bǔ)償方法是一種用于成型制程中彌補(bǔ)成品收縮時(shí)常用的技術(shù)。 在得知預(yù)期變形值下，使模具比實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)稍大，則產(chǎn)品最終尺寸可以更接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 然而，由于成型工藝之復(fù)雜度的及其對(duì)部件變形的影響，可能難以獲得成型后尺寸變化并確定適當(dāng)?shù)?em>補(bǔ)償值。 Moldex3D可以使用不同格式的STL輸出變形模型，以供進(jìn)一步應(yīng)用。 此外，結(jié)合NX全球變形功能，可以執(zhí)行模具補(bǔ)償法。
以下步驟顯示如何導(dǎo)出變形模型并執(zhí)行模具補(bǔ)償順序。
步驟 1：完成翹曲變形分析后，進(jìn)入結(jié)果分頁(yè)，然后單擊翹曲中的變形來進(jìn)行翹曲結(jié)果的輸出。主要會(huì)使用導(dǎo)出變形后模型的功能，可選擇的文件格式包括STL（ASCII），STL（Binary），CATIA RSO格式和NX Global變形格式。
注意：所有輸出檔案是包含變形訊息之表面網(wǎng)格元素?cái)?shù)據(jù)，其相關(guān)的CAD內(nèi)核如下。 為了獲得變形幾何外形，需要進(jìn)一步的轉(zhuǎn)移過程，這也將在本節(jié)中介紹。
?檔案 *.stl 輸出文件格式設(shè)置為STL（ASCII）和STL（Binary）。
?檔案 *.rso 輸出文件格式設(shè)置為CATIA RSO格式。
?檔案 *.csv和 *_Deformed.csv 輸出文件格式設(shè)置NX Global 變形格式。
在步驟1開始前：預(yù)期在XYZ方向上以不同的變形補(bǔ)償率定義翹曲變形縮放。使用結(jié)果中測(cè)量工具上的距離檢查 XYZ 方向的線性收縮率。然后，按照三個(gè)方向的收縮百分比個(gè)別來補(bǔ)償模型。在此模型中，X 方向線性收縮率為 0.389%，Y 方向?yàn)?0.404%，Z 方向?yàn)?0.726%。
步驟 2：對(duì)于使用導(dǎo)出變形后模型的功能，需勾選變形后模型含收縮補(bǔ)償。選擇格式為NX Global變形格式，修改縮放比為"1"。還要在 XYZ 方向輸入個(gè)別的模具補(bǔ)償值，該值是線性收縮百分比的兩倍。
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在模具制造領(lǐng)域，零件小曲率設(shè)變、材料回彈、塑膠翹曲等問題，一直是行業(yè)同仁們的常見困擾。往往只是需要將曲面微調(diào)1-2毫米，讓相接面實(shí)現(xiàn)光順過渡，這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的操作，卻常常要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間。
更棘手的是，部分修改甚至難以做到完美實(shí)現(xiàn)，要么只能做出曲率不順的曲面，要么不得不重新創(chuàng)建所有曲面。這不僅直接拉低修模改模的整體效率，更會(huì)讓模具制作的周期大幅延長(zhǎng)，企業(yè)的生產(chǎn)成本也隨之居高不下
以前做結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的時(shí)候我常常想，如果我們采集的數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)渲染成像有限元軟件那樣的云圖就好了，這樣我的仿真和試驗(yàn)對(duì)比起來更加直觀方便。
限于當(dāng)時(shí)的知識(shí)所限，我們拿到采集器和傳感器只是學(xué)會(huì)了怎么用，具體怎么搞出實(shí)時(shí)三維可視化是完全沒有概念的。
近年數(shù)字孿生的概念比較火，也燒到了我們傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)領(lǐng)域。我們能做仿真，也能做試驗(yàn)，可是怎么孿生呢？孿生的用途是什么呢？這么好的概念，我該怎么用起來呢？
高端制造業(yè)對(duì)微米級(jí)精度的測(cè)量需求，使得測(cè)量設(shè)備的“精度真實(shí)性”遠(yuǎn)比“精度數(shù)值”更重要。而傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)長(zhǎng)期被“補(bǔ)償思維”主導(dǎo)，主要依賴21項(xiàng)系統(tǒng)誤差的軟件補(bǔ)償，其中角度誤差由于X/Y/Z三軸的角度偏差無法通過機(jī)械結(jié)構(gòu)完全消除，始終干擾最終結(jié)果：
傳統(tǒng)三坐標(biāo)的精度本質(zhì)是機(jī)械精度+補(bǔ)償算法，當(dāng)設(shè)備本身的角度誤差（如X軸與Y軸的垂直度偏差）超過2角秒，測(cè)量軟件每增加一份補(bǔ)償，就會(huì)放大一份非物理真實(shí)的修正量
變形超差是金屬粉床熔融工藝中的主要挑戰(zhàn)。相較于傳統(tǒng)的手動(dòng)補(bǔ)償、設(shè)計(jì)加工余量或多次物理試錯(cuò)等方法，越來越多的制造業(yè)從業(yè)者們認(rèn)識(shí)到Simufact Additive增材制造仿真軟件的優(yōu)勢(shì)：通過仿真模擬減少物理試錯(cuò)，有效降低打印成本。
事實(shí)上，自Simufact Additive軟件首個(gè)版本發(fā)布起，就已包含手動(dòng)反變形功能。隨著對(duì)工藝?yán)斫獾纳钊牒凸δ艿某掷m(xù)開發(fā)，自動(dòng)迭代補(bǔ)償功能因其高效性和易用性，受到越來越多用戶的青睞
在DED（Directed energy deposition定向能量沉積，下述簡(jiǎn)稱DED）增材工藝過程中，由于零部件的重復(fù)加熱，極易產(chǎn)生部件的變形問題。借助專業(yè)的金屬定向能量沉積仿真軟件Simufact Welding，能夠?qū)δ繕?biāo)件進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，在得到變形結(jié)果后輸出反變形補(bǔ)償結(jié)果，從而大大減少必要的實(shí)際物理試驗(yàn)次數(shù)，降低企業(yè)成本。
Simufact Welding沉積3D打印仿真
模具補(bǔ)償方法是一種用于成型制程中彌補(bǔ)成品收縮時(shí)常用的技術(shù)。 在得知預(yù)期變形值下，使模具比實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)稍大，則產(chǎn)品最終尺寸可以更接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 然而，由于成型工藝之復(fù)雜度的及其對(duì)部件變形的影響，可能難以獲得成型后尺寸變化并確定適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償值。 Moldex3D可以使用不同格式的STL輸出變形模型，以供進(jìn)一步應(yīng)用。 此外，結(jié)合NX全球變形功能，可以執(zhí)行模具補(bǔ)償法。
以下步驟顯示如何導(dǎo)出變形模型并執(zhí)行模具補(bǔ)償順序
網(wǎng)格變形技術(shù)是基于已有的網(wǎng)格模型，在不需要改變CAD 模型的情況下，進(jìn)行快速三維空間投影變換，直接改變網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)從而改變模型形狀，產(chǎn)生新的滿足設(shè)計(jì)要求的車身及其它系統(tǒng)數(shù)模。不需要等到新的CAD 模型出來之前即可進(jìn)行整車性能預(yù)測(cè)，可以大大縮短前期開發(fā)的流程，并且通過網(wǎng)格變形和參數(shù)化建模功能快速得到多個(gè)設(shè)計(jì)方案的模型加以對(duì)比分析從而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。加快設(shè)計(jì)過程，這種方法稱為仿真領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)
項(xiàng)目背景：
在汽車研發(fā)初期，需要對(duì)各種主要截面進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)師需要根據(jù)CAE分析結(jié)果，優(yōu)化白車身結(jié)構(gòu)，往往會(huì)需要將已經(jīng)成功驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于新車型上；類似于B柱的截面設(shè)計(jì)，可以參考已量產(chǎn)車型，利用MeshWorks直接對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)格變形，不再需要由CAD到CAE，為項(xiàng)目研發(fā)節(jié)省大量時(shí)間。
下圖所示，左圖為需要變形的車身，右圖為參考用車身。
本文摘錄自期刊題目名為“快速網(wǎng)格變形技術(shù)在車身開發(fā)流程中的應(yīng)用”，感謝作者：廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院的閆亮、姜葉潔、劉向征和袁煥泉
車身是汽車的重要組成部分，是汽車所有總成及乘員的載體，其重量約占整車重量的 40%，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì)能夠有效降低汽車自重。傳統(tǒng)的白車身開發(fā)流程以線框車身結(jié)構(gòu)及截面設(shè)計(jì)為起點(diǎn)，設(shè)計(jì)出 CAD 數(shù)據(jù)后通過 CAE 校核反饋，再 優(yōu)化設(shè)計(jì)
在DED（Directed energy deposition定向能量沉積，下述簡(jiǎn)稱DED）增材工藝過程中，由于零部件的重復(fù)加熱，極易產(chǎn)生部件的變形問題。借助海克斯康專業(yè)的金屬定向能量沉積仿真軟件Simufact Welding，能夠?qū)δ繕?biāo)件進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，在得到變形結(jié)果后輸出反變形補(bǔ)償結(jié)果，從而大大減少必要的實(shí)際物理試驗(yàn)次數(shù)，降低企業(yè)成本。
Simufact Welding
