增材制造还需要模拟仿真吗？

寂静天花板

此文由达索系统SIMULIA战略计划总监、增材制造专家Subham Sett与他的同事James Fort共同撰写。

增材制造，即众所周知的3D打印，是一种起源于二十世纪八十年代晚期的制造技术，现已开始在各个领域突显其价值。其原理是将金属、塑料、合金或混合材料逐层熔融或粘合在一起形成最终的物件。

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随着技术进步，创客运动将3D打印变得家喻户晓。更值得关注的是，3D打印的应用领域正由快速原型打印扩展到工业应用打印，直接打印出生产工具乃至零部件。无论是假肢，你自己设计的巧克力款式，还是现场打印大桥，以及打印整车……你每天都能从新闻里看到3D打印的新奇应用。

然而在这些大量的“打印”过程中，其可靠性和可预测性仍然令人担心，将影响到3D打印在工业领域的广泛应用。我们所关注的问题是：如何利用模拟仿真来提升3D打印设计的可靠性？如何保证一次性成功打印出设计的产品？

模拟仿真可以在以下几个关键领域提升3D打印技术：

• 生成功能设计
  3 M# `: j5 h% c  f
• 生成栅格结构
  3 K; d. k( j; a* @; R3 D+ N* C1 Z0 V
• 材料参数标定
  
• 打印过程优化
  
• 产品性能预测
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增材制造能让设计者摆脱传统制造的约束，在满足工业要求、保证产品性能的前提下进行更高层次的设计。“轻量化”就是其中一个证明：可用最少的材料保证部件的特定功能需求。得益于稳健、非线性的拓扑优化（TopologyOptimization）技术，SIMULIA/Tosca套件让这类高层次设计已变得切实可行。

增材制造还可以把部件内部制作成极其复杂的栅格结构，这是传统制造方式不能实现的，而栅格结构能在拓扑优化的基础上进一步减轻部件重量。今年秋季，SIMULIA/Tosca将发布这一功能：不仅允许用户设计功能部件时选择栅格结构，并且能优化栅格的粗细和疏密。

增材制造过程中的另一个关键领域是如何表征当前材料性能。以典型的金属合金材料为例，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；金属的相变、冷却速度以及其他3D打印参数如打印速度将影响金属粉末熔融凝固及其微观结构。

打印出来的部件可以比传统制造工艺生产出来的铸件更强韧，但3D打印参数的变化及其影响非常明显，因此有必要分析打印过程中的多尺度、跨物理场的本质特性。SIMULIA/Abaqus在整体分析打印部件宏观性能的同时，提供用户子程序供研究人员和工程人员研究和模拟3D打印过程中的微观力学特性。

除了材料特性的变化，3D打印过程也会造成打印的部件跟初始设计存在明显的外形差别。这是因为设计时使用的材料是标准的材料定义，也没有考虑应力及扭曲；但在增材制造过程中，一般是烧结而成，会产生残余应力的累积、部件的扭曲和材料特性的变化。Isight提供强大的工具来进行3D打印参数分析，如打印路径、打印方向和热源强度。并可在参数分析的基础上优化残余应力、减少部件扭曲，改变材料特性满足部件的运行条件（无论是静态负载、动态负载、震动还是其它工程问题，都可以在Abaqus里解决）。

以上一切最终都是为了保障部件在运行负载条件下的疲劳寿命，Fe-safe与Abaqus深度集成，在对3D打印材料参数研究的同时，进行增材制造部件的疲劳寿命评估。回到标题所问的问题：是的，模拟仿真仍有巨大潜力来提高增材制造产品质量，从而提升增材制造在各个工业领域的应用。随着增材制造技术的日趋成熟，SIMULIA的分析工具可以分析和解决增材制造过程中出现的各种问题。

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面壁深功

正象有了淘宝，还有杂货店。

albert.tang

既有阳春白雪，也有下里巴人。