通过数值仿真办法解决3D打印难题

3D打印正由加工原型和工具的技术快速地发展为制造终端零件的技术。GE已抢先收购了两家金属3D打印机制造商,Adidas、Oracle等大型制造商在使用Carbon公司的平台加工终端产品。随着3D打印被集成到更大的制造流程中,将会有大量问题需要解决。

除了SAP等公司正尝试解决的工作流程管理的问题,也面临着与3D打印工艺过程相关的难题。很多时候,3D打印系统很难控制或预测,特别是第一次加工某个零件的时候。零件的摆放方位和形状会影响到打印过程的特征和零件的最终性能。因此,在成功打印出想要的产品前,你可能需要进行大量尝试。

3D打印数值仿真

图1 Renishaw 3D打印歧管变形量仿真

解决这类问题的一个办法是使用数值仿真软件,一方面可以得到打印过程的情况,也可以预测零件从打印机内取出来后的性能。目前,针对3D打印开发工程数值仿真软件的公司还很少。其中一个是MSC Software公司,它分别针对聚合物和金属材料开发了Digimat Additive Manufacturing(Digimat-AM)、Simufact Additive软件。

3D打印数值仿真

金属和塑料3D打印都存在各自的问题。对于金属材料,打印过程零件可能会翘曲,残余应力可能会导致零件或支撑打印失败。偶然情况下,粉末刮刀可能碰撞到零件,会损坏打印机。考虑到孔隙量和微观结构,成功的打印必须满足特定的规范。

对于塑料材料,零件可能会发生翘曲或打印失败。FDM工艺的打印平台粘附是一大问题,打印的第一层可能不会正确地与平台连接。这两类技术目前均采取试错法,不断调整加工参数和设计直至打印成功。

为解决这类问题,MSC采用基于物理的仿真办法来优化材料、工艺、结构设计,以实现一次性打印成功的目标。

两个软件均采取基于层的体素方法来模拟打印过程,它提供了一个宏观级别的解决方案,会比有限元分析(FEA:Finite Element Analysis )效率高很多。

金属3D打印数值仿真

Simufact Additive专门针对粉末床熔融金属3D打印工艺开发的,比如SLM、EBM。对于直接能量沉积工艺,MSC建议使用Simufact Welding软件。

Simufact Additive依赖于固有应变的概念来计算各种打印过程中金属零件的应变量——蠕变应变、热应变、相变应变等等,这一概念已应用于焊接的仿真。

金属3D打印数值仿真

图2 使用悬臂梁来确定金属3D打印机的固有应变

为确定一个金属3D打印系统的固有应变,设备操作者需要制造三个悬臂梁,它们分别水平、竖直、成一定角度摆放。打印完成后把悬臂梁切成两半,它们会向上弯曲。测量出各梁的尖端位移,并把结果输入到仿真软件中,从而确定机器的固有应变。

一旦把这些数据存到用户库中,就可以进行各种仿真,包括热处理对零件的影响、平台切割取件、热等静压。对于热处理,材料性质是温度的函数。使用软件内置的材料库,金属的各种性能参数——弹性模量、杨氏模量、屈服应力、传导系数等——可以包含在数值模型中,以模拟其经历的复杂热环境。

金属3D打印数值模拟

图3 Simufact Additive模拟3D打印件的应力:打印完成、切割取件、去支撑

对于热等静压,这些变量也会考虑进去,压力因素也会添加到计算中。软件也会计算高压环境对零件产生的附加应力和变形量,这对于确定最终零件的致密度和孔隙量非常必要。

经过一定数量的数值模拟后,比如计算3D打印或热等静压过程对零件应变量的影响,用户可以重新设计零件来弥补这一类问题。比如,如果我们知道打印过程中零件的薄壁会发生变形,设计时可以将其加厚。

用户也许要确定零件在平台上合适的摆放方向,使局部应力最小化。这也许会和支撑的添加方式有关,通常为了减少打印完成后去支撑的工作量,我们只在需要的地方尽量少的添加支撑。

金属3D打印CAE分析

图4 去支撑后不同摆放方位零件的应力:水平、竖直

为了验证软件的能力,MSC公司与Fraunhofer Institute、NTT Data进行了合作测试。合作伙伴打印了多个零件,并把实测结果与Simufact Additive的仿真结果进行比较,发现零件翘曲、支撑失败这类问题捕捉的非常准确。

在将来,打印前也许可以使用这个软件进行介观和微观层面的仿真分析。

塑料3D打印数值仿真

Digimat-AM软件是专门针对SLS、FDM工艺开发的。Digimat-AM软件基于打印材料来计算应力应变曲线,这个由聚合物骨架材料和填充材料的输入比例决定。借助软件内置材料库,计算产品的力学、热学、电学性能成为可能,也可以计算打印过程中的翘曲量、残余应力和孔隙量。

对塑料3D打印(尤其是FDM工艺)来说,非常关键的一点是Z轴强度,它通常远低于产品的X、Y轴力学性能。Digimat-AM软件可以计算与产品摆放方位相关的打印失败问题。

所有的这些信息都可以用于指导大家的设计。一个零件也许需要重新摆放,因为某区域对强度要求比较高,应当尽量让该部分沿X、Y轴摆放。支撑可以只在必须的地方添加,以节省材料的消耗,并降低后处理工作量。

塑料3D打印仿真分析

图5 压力环境下增压室破坏指数分布

为了验证Digimat-AM软件,MSC与Solvay公司进行了合作,Solvay开发了一款40%玻璃珠增强的尼龙材料Sinterline Technyl,该材料用于SLS工艺。Digimat-AM软件使用填充材料/骨架材料比例计算了零件的行为,并打印出了样件来验证仿真结果。

然后,利用Digimat-AM软件对一个汽车发动机增压室打印过程进行了模拟,并加工了Sinterline Technyl材料的产品。研究目标是确定零件会在多大压力下破坏,模拟结果与实测结果再一次吻合的很好。

3D打印数值仿真的未来

考虑到当前3D打印技术的可靠程度和不可预测性,数值仿真也许是避免打印产品的时间浪费和经济损失的关键。但直到现在,市场上并没有太多这类仿真软件供大家选择。

3DSIM是一家专门开发3D打印仿真工具的公司,其他的还有ESI公司。3DSIM公司使用了高等计算技术,3DSIM技术团队认为使用这项技术的其他公司产品计算时间会达几十亿年,看来MSC利用过去的积累创造了一个高效的解决方案。一旦其他仿真软件供应商认为3D打印有利可图,MSC在市场上也许将不再孤单。

随着越来越多用户在打印前使用仿真软件预测加工过程,我们也许需要开发新的工具,并把它集成到设备的闭环反馈系统中。这不仅有利于我们第一次就打印出更好的零件,也能使打印机发现参数设置不合理时第一时间进行自我修正。

    分享到:

©Copyright2016-2020      青岛造物三维打印创新服务中心