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仿真技术如何赋能金属增材制造?

2018年4月4日             作者:e-works王阳       
关键字:增材制造  ANSYS  
金属3D打印正在成为一种广泛应用的制造工艺,同时改变着企业向市场投放产品的方式。而仿真技术将有助于应对金属3D打印的相关风险,从而在未来打印出功能更强大、更轻量化的产品和部件。
      随着3D打印日渐普及,其应用领域正由快速原型打印扩展到工业应用领域,直接打印出生产工具乃至零部件变得越来越稀松平常。
 
      一定程度上,3D打印不仅是一种新工艺手段,更是新一轮产业革命中改变人类生产和生活方式的重要引擎和颠覆性技术体系,其背后的增材思维正在带来一场释放自由度和激发创造力的革命。
 
      在这场革命中,金属3D打印正在成为重要的发展方向,并蕴含着潜力巨大的市场机会。ANSYS结构产品技术总监Dave Conover先生日前接受e-works记者采访时指出,金属3D打印正在成为一种广泛应用的制造工艺,同时改变着企业向市场投放产品的方式。而仿真技术将有助于应对金属3D打印的相关风险,从而在未来打印出功能更强大、更轻量化的产品和部件。

ANSYS

ANSYS结构产品技术总监Dave Conover先生

 
金属3D打印渐成趋势
 
      3D打印技术可以快速制造出各种模型,灵活性极高且浪费少,正在被越来多的企业采纳。特别是对于一些复杂结构和个性化需求,3D打印显得比传统模型制造更适用。
 
      相比减材和等材制造,增材制造无模具、无工装,但它绝不仅仅是一种新的制造加工工艺方法,而是新一轮科技革命和产业革命中将会改变人类生产方式和生活方式的重要引擎和颠覆性技术体系。
 
      随着金属材料和增材制造技术的发展成熟,金属3D打印正越来越多被应用于工业航空、汽车、医疗、科研等领域。各种金属粉料的突破给3D打印带来新的机遇,金属3D打印正在尝试进入更多的应用领域,并激发出巨大的市场空间。
 
      可以说,金属3D打印是未来制造的最大趋势之一,越来越多的企业开始探索和发力,包括3D Systems、Desktop Metalis、EOS、雷尼绍、Stratasys等主流3D打印厂商均在积极布局金属3D打印领域。
 
仿真技术赋能增材制造
 
      但不能否认,金属3D打印技术快速发展的同时,依然有很多问题需要克服。
 
      金属3D打印过程中,高强度激光束沿着CAD软件制定的打印路径照射在粉末床上将金属粉末逐层熔融成部件。随着激光热源的移动,金属粉末熔化,凝固,与前一层熔合为一体。
 
      由于金属3D打印需要使用激光来优化各种应用的密度,其快速加热和冷却产生的应力容易导致缺陷和变形。其次,打印过程中也会意外导致金属熔化,从而造成产品故障。
 
      总的来说,在现阶段的技术水平下,金属3D打印充满了挑战性,金属的相变、冷却速度以及其他3D打印参数如打印速度都将影响金属粉末熔融凝固及其微观结构。
 
      在Dave Conover看来,增材制造和工程仿真技术的融合可以帮助降低这些风险,并提高生产更轻、更坚固金属部件的可能性。
 
      具体看来,仿真技术能够在生成功能设计、生成栅格结构、材料参数标定、打印过程优化、产品性能预测等各个环节赋能增材制造。
 
      Dave Conover说,“金属增材制造不仅仅是个工艺技术,更多的是一种增材思维。通过对增材工艺过程的仿真,可以预测金属部件最终的残余应力和变形,从而优化工艺参数,保证打印质量和效率而避免低效的试错过程,直至帮助企业把产品制造出来。”
 
ANSYS并购3DSIM完善增材工艺仿真
 
      这也是ANSYS并购3DSIM技术,推出完整的增材制造仿真工作流程的主要原因。
 
      2017年11月,ANSYS宣布成功收购高级增材制造仿真技术提供商3DSIM。
 
      据公开的资料显示,3DSIM专门为金属增材制造领域研发功能强大的仿真软件。3DSIM的软件工具可帮助制造商、设计人员、材料科学家和工程师通过仿真驱动的创新实现目标,而无需进行繁琐的物理试错法。3DSIM的客户涵盖航空航天、汽车OEM厂商、部件制造商、金属增材制造机械生产商以及行业领先的研究实验室。
 
      总部位于犹他州的3DSIM通过模拟驱动的创新而不是物理的反复试验,这一知识被引入发展有限元分析软件,从而发挥增材制造的优势。3DSIM的产品包括exaSIM和FLEX。exaSIM软件可以帮助用户实现零件公差,避免打印失败,无需进行物理实验;FLEX则用于查找特定增材制造机器和材料组合的最佳工艺参数。
 
      并购3DSIM之后,Dave Conover认为ANSYS在增材制造领域的有两大优势:首先是拓扑优化领域。ANSYS在拓扑优化领域有强大的基础和积累,而市场上很多其他解决方案缺乏对物理场涵盖的全面性。
 
      其次是解决方案的完整性。从材料、设计、拓扑优化再到校核、工艺过程仿真,ANSYS强调的是一整套流程,而市场上很多其他方案是孤立的。
 
      Dave Conover说,“通过将exaSIM和FLEX纳入我们的Workbench平台,ANSYS能为客户提供目前市场上唯一一款端到端的增材制造仿真工作流程。这将帮助不同产业的客户促进创新,加速产品上市进程,并降低制造成本。”
 
携手安世亚太布局中国市场
 
      在中国市场,ANSYS通过安世亚太独家推广增材制造工艺仿真技术。安世中德咨询公司技术总经理包刚强介绍,安世亚太与ANSYS在金属增材制造领域的合作主要基于三个方面:
 
      首先是拓扑优化的合作。从ANSYS17.0一直到即将发布的ANSYS19.0,安世亚太结合中国用户对拓扑优化的需求提出研发的建议,包括拓扑优化的核心算法、拓扑优化将来的形貌优化等等,同时安世亚太与ANSYS一起提供相关的培训,将拓扑优化的方法尽可能普及给中国用户;
 
      其次,将ANSYS在全球基于增材设计优化的案例带到中国,帮助中国企业在金属增材制造的实现过程中找到关键技术点,助力智能制造的实现进程;
 
      第三,安世亚太是ANSYS增材制造工艺仿真技术在中国的独家合作伙伴,ANSYS在技术和开发方面给予安世亚太大量的支持。安世亚太同时得到ANSYS全球专家的支持,共同开展增材制造工艺仿真的推广。

安世亚太

安世中德咨询公司技术总经理包刚强

      在合作的基础上,安世亚太部署了具体的四大举措,以推动增材制造工艺仿真技术在中国的落地:
 
      一是通过高校培训计划与教育部合作,目前正在体系性的从顶层进行增材人才相应的培训标准,方法和体系做对应的对接规划。。长城计划即将推出增材先进设计的课程,课程覆盖有限元分析、优化技术、增材制造工艺过程,乃至整个增材先进设计方法、思路、体系,通过高校毕业生更好地将增材先进设计和仿真方法带入到企业中去。

      第二,传播专业的内容。2018年作为双方推进增材先进设计解决方案的开端,安世亚太将提供增材制造工艺仿真解决方案的专业内容,分享给相关用户。除此之外,还会有系列的市场活动安排,包括参与增材制造领域的展会等,将增材制造工艺仿真解决方案通过更多的渠道传递给企业。
 
      第三,组织系列的培训。安世亚太既可以给企业提供免费的培训,也可以提供定制化的收费培训,包括CAE高级应用专题、拓扑优化、参数优化、增材工况过程仿真等等课程。
 
      第四,提供专业的服务。通过具体的合作,与用户一起把增材先进设计的思路从头到尾实践一遍,包括从材料选择、产品部件选择、工况定制,再到优化、分析校核,再到工艺过程仿真、生产制造、试验等等。通过专业的服务,帮助企业实践整套流程以应用到他们的产品生产制造中。
责任编辑:王阳
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