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增材制造案例分享:部件精度预测

来源:银川科技局 发布时间:2018-06-29

内容摘要:ANSYS exaSIM™ 是一款预测性的仿真工具,能够让增材制造(AM)的用户快速了解部件在构建过程中如何变形,无需进行多次物理构建的试错迭代。简言之,exaSIM能为用户节省时间和金钱,同时制造出精确的部件。

    需要克服的挑战是什么?

    当使用金属粉末床增材制造过程(例如金属激光烧结)生产部件时,在材料凝固和冷却过程中部件内部会形成显著的热梯度。与热制造工艺不同,AM组件相对来说更容易变形,但使用支撑结构进行固定的除外。AM部件的几何结构十分复杂,而且逐层制造工艺之间存在不同热机械效应的相互作用,因此设计人员和机械操作人员很难估计部件会在何处出现何种程度的、朝向哪个方向的变形。

    在金属AM行业,变形的负面影响是一种成本最高的构建“失败”。通常是在后处理之后从精确度和容差方面确定部件不合格,后处理过程涵盖热处理、通过CNC铣床去除支撑件以及自动检查。很多AM 用户发现第一次迭代后的部件合格率不足50%,常常需要经过3到4次迭代之后才能制造完美的部件。在GE公司开展的一个项目中有一则美国制造的“成功案例”,据报道其最多需要15 次迭代才能制造出几何结构精确并符合CAD模型的部件。这会导致废弃件的成本最终高达数万乃至数十万美元。

    这篇技术简介介绍了使用金属激光烧结技术生产的专有机翼部件(完整部件的详细情况属于保密信息)的仿真结果与测量结果对比情况。该部件是一种全尺寸航空航天组件,边界框尺寸为230mmx180mmx50mm。

    exaSIM的精确度能否足以解决挑战?

    为了从预测性仿真中实现适当的投资回报(ROI),仿真结果必须足够精确,以帮助制定最佳的解决方案。否则,仿真预测就不会比物理原型试错法更节省时间或成本。以下结果展示了exaSIM预测结果如何提供足够的精确度,以推动制定设计决策。

    将几何模型导入到3DSIM™,利用exaSIM UniformAssumed Strain仿真模式执行仿真。针对更高保真度的仿真,如果有用来构建部件的扫描矢量,则可以执行Pattern Based Strain或Thermal Strain仿真。在本例中,无法为3DSIM提供完整过程参数的详细信息,因此使用Assumed Uniform Strain仿真。

    一旦完成仿真,3DSIM就会评估合作伙伴提供的具体轮廓测量位置,从而对测量数据和预测数据进行对比。在每个图像中,蓝线为标称(例如CAD文件)几何结构,红线显示实际几何结构。对于“测量的”图像,红线显示已构建组件的CMM结果与标称蓝线的对比情况。对于“预测的”图像,红线显示仿真结果与标称蓝线的对比情况。绿线是每个轮廓图的容差区域。红线大多处在绿线容差区域外,因此测量部件不合格。

   对于此轮廓,仿真预测的趋势非常有效,在图的右上方变形从内部变形转变成外部变形,然后向下大约20mm处又回到内部变形,逐渐分叉,随后又在图的底部收敛。然而在此位置,位移大小的测量结果与预测结果之间存在一些差异,如果使用Scan Pattern Based或Thermal Strain模式,预测还会更准确些。

    最后要评估的轮廓是顶部附近的机翼表面。结果如图5所示。在这个位置,预测的趋势和大小相当准确。我们注意到在图5左下方仿真预测的大位移非常有效,这与后缘良好匹配。这是肋与横切壁交叉点的位置。

    结论

    用户使用exaSIM Assumed Uniform Strain法仿真全尺寸航空航天组件。仿真结果可提供准确的趋势和大小预测。这些预测结果使用户能够避免制造不合格的部件,从而为exaSIM的用户节省大量时间和工作。