增材制造還需要模擬仿真嗎,？

寂靜天花板

此文由達索系統(tǒng)SIMULIA戰(zhàn)略計劃總監(jiān),、增材制造專家Subham Sett與他的同事James Fort共同撰寫,。

增材制造,，即眾所周知的3D打印,，是一種起源于二十世紀八十年代晚期的制造技術(shù),，現(xiàn)已開始在各個領(lǐng)域突顯其價值,。其原理是將金屬、塑料,、合金或混合材料逐層熔融或粘合在一起形成最終的物件,。

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隨著技術(shù)進步，創(chuàng)客運動將3D打印變得家喻戶曉,。更值得關(guān)注的是,，3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域正由快速原型打印擴展到工業(yè)應(yīng)用打印，直接打印出生產(chǎn)工具乃至零部件,。無論是假肢,，你自己設(shè)計的巧克力款式，還是現(xiàn)場打印大橋,，以及打印整車……你每天都能從新聞里看到3D打印的新奇應(yīng)用,。

然而在這些大量的“打印”過程中，其可靠性和可預(yù)測性仍然令人擔心,，將影響到3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,。我們所關(guān)注的問題是：如何利用模擬仿真來提升3D打印設(shè)計的可靠性？如何保證一次性成功打印出設(shè)計的產(chǎn)品,？

模擬仿真可以在以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域提升3D打印技術(shù)：

• 生成功能設(shè)計
  
• 生成柵格結(jié)構(gòu)
  
• 材料參數(shù)標定
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• 打印過程優(yōu)化
  
• 產(chǎn)品性能預(yù)測
  
  

增材制造能讓設(shè)計者擺脫傳統(tǒng)制造的約束,，在滿足工業(yè)要求、保證產(chǎn)品性能的前提下進行更高層次的設(shè)計,�,！拜p量化”就是其中一個證明：可用最少的材料保證部件的特定功能需求。得益于穩(wěn)健,、非線性的拓撲優(yōu)化（TopologyOptimization）技術(shù),，SIMULIA/Tosca套件讓這類高層次設(shè)計已變得切實可行。

增材制造還可以把部件內(nèi)部制作成極其復(fù)雜的柵格結(jié)構(gòu),，這是傳統(tǒng)制造方式不能實現(xiàn)的,，而柵格結(jié)構(gòu)能在拓撲優(yōu)化的基礎(chǔ)上進一步減輕部件重量。今年秋季,，SIMULIA/Tosca將發(fā)布這一功能：不僅允許用戶設(shè)計功能部件時選擇柵格結(jié)構(gòu),，并且能優(yōu)化柵格的粗細和疏密。

增材制造過程中的另一個關(guān)鍵領(lǐng)域是如何表征當前材料性能,。以典型的金屬合金材料為例,，高強度激光束沿著CAD軟件制定的打印路徑照射在粉末床上將金屬粉末逐層熔融成部件,。 隨著激光熱源的移動，金屬粉末熔化,，凝固,，與前一層熔合為一體；金屬的相變,、冷卻速度以及其他3D打印參數(shù)如打印速度將影響金屬粉末熔融凝固及其微觀結(jié)構(gòu),。

打印出來的部件可以比傳統(tǒng)制造工藝生產(chǎn)出來的鑄件更強韌，但3D打印參數(shù)的變化及其影響非常明顯,，因此有必要分析打印過程中的多尺度,、跨物理場的本質(zhì)特性。SIMULIA/Abaqus在整體分析打印部件宏觀性能的同時,，提供用戶子程序供研究人員和工程人員研究和模擬3D打印過程中的微觀力學特性,。

除了材料特性的變化，3D打印過程也會造成打印的部件跟初始設(shè)計存在明顯的外形差別,。這是因為設(shè)計時使用的材料是標準的材料定義,，也沒有考慮應(yīng)力及扭曲；但在增材制造過程中,，一般是燒結(jié)而成,，會產(chǎn)生殘余應(yīng)力的累積、部件的扭曲和材料特性的變化,。Isight提供強大的工具來進行3D打印參數(shù)分析,，如打印路徑、打印方向和熱源強度,。并可在參數(shù)分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化殘余應(yīng)力,、減少部件扭曲，改變材料特性滿足部件的運行條件（無論是靜態(tài)負載,、動態(tài)負載,、震動還是其它工程問題，都可以在Abaqus里解決）,。

以上一切最終都是為了保障部件在運行負載條件下的疲勞壽命,，F(xiàn)e-safe與Abaqus深度集成，在對3D打印材料參數(shù)研究的同時,，進行增材制造部件的疲勞壽命評估,。回到標題所問的問題：是的,，模擬仿真仍有巨大潛力來提高增材制造產(chǎn)品質(zhì)量,，從而提升增材制造在各個工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著增材制造技術(shù)的日趨成熟，SIMULIA的分析工具可以分析和解決增材制造過程中出現(xiàn)的各種問題,。

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面壁深功

正象有了淘寶，還有雜貨店,。

albert.tang

既有陽春白雪,，也有下里巴人。