白皮书 | Ansys在增材制造领域的仿真驱动产品研发愿景

2023年3月14日 浏览：1559

白皮书 | Ansys在增材制造领域的仿真驱动产品研发愿景的图1

增材制 造（也被称为“3D 打印”）有望极大地改变产品构思和设计的方式。通过增材工艺可实现前所未有的设计复杂性和设计自由度。完整的子装配体能一次打印成型，消除了成本高昂的连接操作。零部件能实现订单式的小批量定制与生产。无论是在家中、工作中、战场上还是在装配线上，零部件都能随时随地按需生产。为实现增材制造的普及化及其愿景，需要对当前的设计和仿真工具进行大刀阔斧的升级。
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介绍

增材制造(AM)虽然实际上已存在数十年之久，但一直主要服务于原型构建和加工市场，直到最近打印机领域取得相应发展才使增材制造开始转向应用于主流零部件的生产市场。随着面向金属加工的可靠高性能打印机的出现，增材制造越来越多地被用于为汽车和航空航天等高度工程领域生产轻量级设计。此外，随着新兴打印机制造商的不断涌现以及现有生产线的快速大力升级，增材制造领域正在迅速发展演进。世界各地正在投入大量资金开展研究，以进一步了解和控制打印工艺、材料特性描述及零部件制造的其它方面。ANSYS 一直与这一领域的许多研究人员和机构保持密切合作，以便在这个不断发展的领域中抢占先机。
虽然许多人会争辩说我们仍然处于“技术成熟度曲线”的初期阶段，但实际上，不仅有许多公司已经开始在生产中积极地使用增材制造，而且还有更多的公司已经购买了打印机，并且正在探索其潜在效益。
为了让增材制造成为主流，不仅需要在打印机硬件方面取得进展，同样需要在设计软件和仿真软件上实现发展。ANSYS 具有得天独厚的定位，能够发挥其在仿真驱动产品研发(SDPD)领域的长期优势，以推动增材制造成为市场主流。
当前面临的挑战
目前，零部件设计与打印面临着三大挑战。这三大挑战主要涉及了设计工具设计- 构建选代以及软件工具流中的连贯性不足等方面。
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挑战一： 设计工具并没有专门针对增材制造而研发。数十年来，在设计已经确立的制造方式(如机械加工、铸造、焊接、锻造、冲压等)过程中积累了大量历史知识和模式，当前的工具(包括 CAD)均是以此为基础进行设计研发的。虽然增材制造设计知识在不断丰富发展，但行业也不能只依靠简单的经验法则进行判断，而是需要基于物理的方法
挑战二： 虽然我们有极大的设计自由度但并不是所有的设计都能实现可靠打印。设计完成后会交给打印操作员，如果构建(打印)失败，设计人员或工程师就必须重新设计。重新设计- 构建迭代不仅成本高昂而且极为耗时。
挑战三： 为了满足具体的应用要求，这一领域涌现出了大量的专用工具，包括专门的设计工具(主要围绕着拓扑优化或网格化)，专业的打印预处理工具(方向、支承和切片)以及打印仿真工具。设计和数据无法在无缝过程中使用，而是必须手动从一个工具转移到另一个工具才能完成从设计到构建的全部步骤。
仿真驱动的产品研发
长期以来，ANSYS一直致力于通过物理场仿真软件、几何模型创建和操作工具以及出色的工作流，把仿真驱动的产品研发(SDPD变为现实。在设计周期中尽早地迭代和使用仿真来创建并测试虚拟原型，有助于实现更优秀更理想的设计，同时还可缩短总体设计时间。
借助设计知识和规则(最小半径、拔模角、尺寸大小等)，能够很容易地完成针对传统制造工艺的设计。虽然用于仿真这些传统工艺的专业软件早已存在，但在整个设计周期中却很少用到它们。
在增材制造领域，就不再会是这种情况了。设计和制造工艺间的联系要紧密得多，而且工程师在设计的初始阶段就必须考虑工艺问题，以确保成功地制作出产品。
ANSYS的愿景
我们的远期愿景是在ANSYS Mechanical中放置一个“打印”按钮。在给定设计空间、工程要求和打印机参数的情况下，该软件将能够基于物理场生成一种即时打印的设计。该愿景看似是一个遥远的目标，但它有助于我们聚焦研发计划，形成明确清晰的工作思路。
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主要支柱
要实现面向增材制造的这一愿景，就必须解决三大关键问题：
-设计
-过程仿真
-材料行为和微观结构
设计
为了充分利用增材制造设计自由度的优势，并实现可靠的增材制造设计，需要在各个方面取得发展与进步。通过拓扑优化或网格和蜂窝布局的智能使用，能够很好地发挥这种自由度。此外，在设计流程中加入增材制造设计规则，也是确保成功的关键所在。
拓扑优化
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拓扑优化能够充分地利用增材制造所提供的设计自由度，从全新的设计开始到不断迭代实现优化的设计，同时还可以修改零部件的基本形状和尺寸。
拓扑优化并不是一项新技术，但希望利用该项技术优势的公司目前仍要面临多种障碍。多数情况下，拓扑优化器是一款独立的解决方案其使用的求解器也相对简单，进而限制了优化设计的精确度。当今的拓扑优化器要求用户学习新的仿真环境，并且把优化后的设计转换回另一个仿真环境，以进行验证并开展其它物理场的仿真，如流体振动、非线性效应、热及电磁辐射等。
当把拓扑优化嵌入到ANSYS Mechanical并使之成为ANSYS Workbench 工作流的一部分时，这些问题就能迎刃而解了。
网格与蜂窝设计
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拓扑优化通过从设计空间中去除材料的方法，可减少重量同时保持所需的强度。然而，很多设计都要求其表面适合装配、呈流线型并且有流道等。在这些约束条件下减少重量的一个方法就是在体积中使用蜂窝设计，这不仅可保持表面，而且还能保持刚度不变。
将拓扑优化的密度分布与所需的网格间距和 / 或构件厚度相耦合，是使用基于物理的设计流程的一种理想方式。
设计规则

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打印过程的本质就是通过沉积工艺逐层添加材料，这自然而然会形成一些增材制造的基本设计规则（DFAM）。最小特征尺寸、方向和孔大小都是典型规则。这些规则已经作为后处理工具被加入到 ANSYS SpaceClaim，同时也将被纳入拓扑优化算法中。
大多数规则都是特定针对于具体的打印工艺以及实际的打印制造商。此外，随着经验的不断积累，这些公司会学习并调整对于规则上下界有影响的工艺参数。这些公司需要分层的规则引擎：基本的、机器设备特定的、公司的、以及现场的规则。
过程仿真
特别是对金属来说，打印过程要求使用聚集的热量来融化材料并将材料熔合到之前已经固化的材料层上。持续的加热和冷却周期会导致零部件弯曲。这种弯曲会造成零部件不合格以及打印机故障，试想一下制作完成六十个小时后零部件就损坏！此外，这一工艺还会造成足够大的热应力，进而导致零部件从支承板或构建板上断开。
对构建过程进行仿真是实现成功设计的关键，这不仅是对零部件而言，对支承件也是如此，其既要从零部件上带走热量还要将零部件固定在构建板上，以防止零部件产生弯曲和热应力。
材料行为
打印过程中，材料的行为会趋于非均质特性并在打印域中不断改变。对金属来说，加热和冷却周期会造成特定微观结构的形成。因此，应该优先预测材料属性，这样才能对设计和 / 或工艺设置不断调整，以获得所需的材料特征。
为充分发挥增材制造的潜力，设计人员需要能够指定所需的材料特征及其分布（例如指定某区域的硬度以及另一个区域的延伸率），同时还需要能够撤销设计和工艺设置以获得理想的设置。
实现愿景
在仿真驱动的产品研发领域，ANSYS 有着悠久的历史。为了将这一经验推广到增长制造领域，ANSYS 可充分利用大量现有的优势：
-物理的广度和深度
-拓扑优化和网格化等设计方法
-工作流与自动化
-功能强大的几何模型操作和创建工具，包括用于创建和操作小面的工具
-与企业联盟和学术界的紧密联系

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ANSYS 将继续优化和研发行业中最综合全面的仿真软件，让顶尖设计人员能够充分发挥增材制造等新技术的优势，从而在未来研发出更轻量、更纤小、更持久耐用的产品。
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