增材制造摆放方向优化之Additive prep模拟仿真

一、增材导入：

增材制造的一般流程包括：

1、面向增材的设计：包括CAD模型的创建、对模型进行优化、晶格和轻量化设计等；

2、打印前优化设置：包括STL格式模型的修复，支撑的创建、打印方向的确定与优化；

3、增材过程仿真：包括应力、变形分析，变形补偿；

4、材料分析：材料特性的数据、晶体形态预测、熔池和空隙预测等；

5、数据采集和管理：增材数据的掌握与追溯、合并与分享增材数据；

6、结构验证：设计验证、结构与热分析、文件管理。

如下图所示：

二、additive prep简介

Ansys Additive Prep是SpaceClaim Direct Modeler中的内置工具。帮助用户研究不同的零件放置方向，分析其对构建时间、变形和所需支持量的影响。

它还可以创建支撑结构。Additive Prep中的工具可以创建具有完全控制细节的高级支撑几何图形。如下图所示：

Additive Prep的打开方式可以从workbench的geometry中进入SpaceClaim编辑，也可直接进入SpaceClaim模块。

若首次使用，需要在SpaceClaim option中勾选additive prep复选框，并点击保存。如图所示： 

设置完成之后，在工具栏中，出现additive栏，additive prep的相关功能可以在这里开展。

三、操作流程案例如下：

1、导入模型

若不太熟悉界面，可以直接从spaceclaim进入，显示为中文。注意：模型必须转化为实体（即solid），以便后续工作的开展。

此外，部件对象必须位于结构树的顶部才能使用，为此需要将part对象拖放到树的顶部。

2、创建打印工作平台

点击create，程序自动创建打印相关设置，包括自动生成基板（baseplate），机器设置，工作空间等三个下属模块，如图所示。

3、添加零件：

点击add part可以添加零件，例如可以添加其他结构或者添加支撑结构。并可以通过移动等设置，将添加的零件放置在合适的位置，如图所示。

4、设置打印参数：

定义基板尺寸和打印机的高度 。

可以点击manage machine按钮进入编辑界面，对相关打印参数进行设置 。

5、打印摆放位置的选择：

方位图可以帮助在基板上找到最好的零件摆放方位。共有三个约束条件:建造时间，支撑体积量和变形趋势。评判标准归结为“越绿越好”如下图所示： 

可以通过移动Z offset位置设置零件的打印摆放高度；

通过移动光圈快速进行零件的摆放，选择自己最关注的方面，设置最优的摆放位置。如下图所示 ：

6、创建支撑区域

支撑创建是一个2步的过程。它首先要求识别需要支撑的部件的区域。它们被称为支撑区域。然后，可以在这些区域中创建支撑。

Additive Prep自动检测支撑区域。它们可以是线也可以是面。

悬垂角需要在这里再次指定。它可以不同于在方向图中用于支撑体计算的那个值。

用于表面检测的最小尺寸。所有尺寸小于此处指定的曲面都不会被考虑生成支撑。

 支撑设置定义之后，单击Create Regions使它们出现在树中，它们会显示在有面部分上，我们可以单独对某个支撑进行删除或者重命名操作。

 支撑区域可以手动创建:‐单击手动区域图标。‐选择一个或多个面，使用Ctrl键，然后点击绿色的复选标记‐创建一个手动支撑区域‐您可以向选定的支撑区域添加或删除facet。

7、创建支撑

一旦确定了必要的支撑区域，则需要为每个区域创建支撑

从树中选择Support_regions组件并创建支撑，对于所有预定义的支撑(自定义支撑除外)，可以通过选项卡调整支撑的几何形状。

可以通过对话框调节相应支撑的相关参数,鼠标移动到相关参数上时，对话框底部会自动弹出图形解释。

 块状支撑:由规则排列的矩形或正方形组成的网格状支撑。

线支撑:薄壁沿边缘中心被支撑。它仅适用于线路支持区域。

细胞支撑:立方体模式，细胞的大小在从底板到部件的指定间隔内减小。

杆支撑:沿被支撑区域以不同方式分布的杆状支撑。

树形支撑:下部代表树干，上部代表树枝。树状支架不像其他类型的支架使用那么多的粉末，对于支撑洞的内部特别有用。

轮廓支撑:支撑墙仅围绕轮廓的支撑区域。

自定义支撑:您可以通过此功能创建自己的支持。使用设计工具创建您自己的几何图形。

 使用通用参数结合支撑参数，可以设计大量的支持形状。需要考虑以下几个方面的支撑打印过程:降低材料消耗，减少能源消耗，减少打印时间，减少零件印刷后拆卸支架时的人工后处理。

8、构建文件生成

一旦确定零件的摆放位置，创建支撑后，就可以生成构建文件。构建文件包含打印零件所需的机器指令的所有细节:切片，打印矢量，扫描模式 。

构建策略类似于扫描模式的模板。可以使用现有的构建策略并修改一些参数。还可以创建自己的构建策略。Additive prep 提供一些现成的模板如下：

 可以加载现有的Build策略并更改一些参数，然后保存新策略以供将来重用

9、构建过程参数

缩放:在底板上缩放零件。它是用来补偿几何图形的收缩或膨胀；

分层:在建造过程之前，定义部件如何在水平层上划分；

体积:定义如何打印零件的内部；

上层重熔:如果没有添加粉末层，定义如何考虑上层面(上面没有层)的区域；

上层重熔:如果添加了额外的粉末层，定义如何考虑上层面(上面没有层)的区域；

下层:定义如何考虑下皮方面的区域(下面没有图层)；

支撑:定义如何打印支撑；

扫描:定义向量的处理顺序

10、构建文件查看

生成构建文件后，可以查看构建中的各个片段。在流程的这个阶段，构建文件是一个内部文件。它需要导出才能用于打印。在导出文件之前，可以动态观察2D形式的模型打印状态。

11、成本预测及导出

成本预测这项功能目前仅对SLM机器可用，生成bild文件后，估计总成本构建的部分。基于所选机器的材料和构建策略。一旦生成了构建文件，就可以导出了。

12、后续流程

1）与additive print协同流程如下：

2）与workbench additive协同流程如下：

 13、流程总结：

将优化后的零件通过additive prep进行合理的位置摆放，调整三个权重因素的权重比。可以获得更好的打印效果。

需要注意的是，导出后使用additive可直接全部导出；若是后续用于workbench additive分析建议取消支撑的勾选。