减少增材制造的压力

作者:Gregor Graf，德国Pfinztal Rosswag工程公司工程总监

为了优化客户零件的几何形状，减少打印故障并缩短开发时间，Rosswag团队采用了Ansys Additive print，该软件模拟了材料在打印过程中的行为。万博预测零件形状变形和应力，设计最优的支撑结构进行变形补偿。由于该软件，工作比竞争对手提前几个月完成。复杂作业的设计可缩短20%的时间，简单作业的设计可缩短50% ~ 60%的时间。

随着增材制造的普及，导致零件失效的可靠性问题仍然存在。利用万博Ansys Additive PrintRosswag工程师在打印前确定应变，以消除变形、应力和叶片碰撞，并减少构建次数。

增材制造(AM)——也被称为3D打印-正在颠覆创新，彻底改变全球公司设计和开发替换零件、强化产品和新发明原型的方式。万博网作为金属增材制造服务的全球领导者，罗斯威工程公司为众多飞机、能源和石油天然气企业提供功能优化的金属部件，其内部结构和形状非常复杂。

这三种不同的自行车车架部件，包括车座夹，都有很高的公差要求。为了装配，零件必须完全对齐。万博Ansys增材打印有助于显著减少畸变，按时满足所有要求，而无需生产样品零件。

当罗斯瓦格工程公司推出金属增材制造时，一个高度复杂的项目可能需要多达10次的打印迭代来生产所需的几何形状。材料在打印过程中的行为仍然是不可预测的，这就需要这种反复试验的方法。由于内应力和热变形造成的单次构建(打印)失败可能会使公司在开发时间上损失数千美元，延迟零件交付给客户，并损坏昂贵的增材制造机器的零件。

为了优化客户的零件几何形状，减少打印故障并缩短开发时间，Rosswag团队采用了Ansys Additive print。万博作为公司设计过程的一部分，增材打印模拟了材料在打印过程中的行为。预测零件形状变形和应力，设计最优的支撑结构进行变形补偿。由于软件前所未有的效率，工作比竞争对手提前几个月完成。复杂作业的设计可以减少20%的时间，简单作业的设计可以减少50%-60%的时间。

“利用Ansys Add万博itive Print，团队减少了支出，提高了可靠性，并比以往更快地向客户交付产品。”万博网

万博Ansys添加剂制备

万博Ansys Additive Prep简化了定位零件和开发先进支撑结构的过程，而不会牺牲机器时间或打印材料。

一旦选择了零件的最佳构建方向，软件就会检测需要支撑的关键区域，并插入所需的支撑类型。在几秒钟内，它自动生成一组复杂的支撑几何形状，以在打印过程中加强零件。

模拟生成热图，识别潜在的应变，并揭示构建方向将如何影响支撑结构和构建时间。

用打印过程模拟对抗应变

为了计算和预测变形、残余应力、叶片碰撞和其他打印问题，该团队使用了增材打印。通过模拟早期检测这些问题，工程师可以确定适当的修改并重新设计零件，从而大大减少构建的数量。具有三种应变检测模式，保真度不断提高，增材打印模拟在合理的时间范围内产生。

该团队使用假设的均匀应变能力，以一层一层的方式分析零件，类似于打印机如何构建材料层。这种模拟提供了快速的周转和一个很好的理解的模式的位移，该部分将经历。

扫描模式应变模拟计算了激光扫描方向对每个粉末层的影响，并为团队提供了更多的保真度和精细化。该模拟基于激光运动方向准确地评估了熔池内应变的元素差。

使用热应变模拟来执行热力学分析，罗斯瓦格设计师计算了零件每个扫描向量内几乎每个点的加热和冷却。凭借高达15 μm分辨率的高保真仿真，该功能可以检测非常精细的特征和应变差异，从而高精度地显示零件变形。

模拟还有助于预测和识别零件上最有可能导致打印事故的区域，例如叶片碰撞。当一个正在建造的零件缺乏足够的支撑结构，并且向上倾斜与重涂机叶片碰撞，损坏零件和潜在的机器时，就会发生这种情况。增加支撑结构可以抵消热应变的挑战，以稳定零件，防止它像薯片一样卷曲。

基于这三种模态的预测，工程师确定了零件的最佳几何补偿。如果检测到变形，该团队使用软件的自动变形补偿工具，该工具将所需的几何形状反向扭曲，以便在打印过程中恢复到正确的形状。

该专利生产工艺可在传统制造部件上添加带有内部通道结构的高度复杂叶片结构，可能会成为航空航天和能源机械行业的下一个游戏规则改变者。

产生支撑结构以防止应变

如果模拟显示出应变，设计人员就会使用这些数据来确定几何结构中的点，在这些点上结构的变化将有助于减轻应变。工程师使用传统的基于几何的算法生成支撑，或者使用Additive Print的自动生成基于物理的支撑，以所需的方向打印零件。

在下一轮的模拟中，软件揭示了支撑结构的有效性，并确定是否需要更多的稳定性来确认该部件将在没有意外变形的情况下建造。或者，部件的设计可以改变以避免可能的变形。在打印之前，团队将通知客户提出的零件几何形状修改并获得批准。

这里显示的是在构建板上进行机械测试的带有样品的添加剂制造部件。

接下来，罗斯瓦格团队打印零件，如果需要的话，将支架结合起来。根据零件的几何形状，如果有关键的或悬垂的边缘，支撑结构将用于传热和加强需要它的层。在打印之后，设计师通过3D激光扫描仪扫描和测量来验证零件的几何形状，以证明零件符合客户批准的几何形状。

“使用增材打印技术制造简单的零件，该公司每月可以节省大约四个建造工作。这简化了罗斯威的运营，每年可节省10万欧元(约合11.2万美元)。”

简化工作流程，节省时间和金钱

增材打印对于提高结果的可靠性仍然是不可或缺的，这可以通过优化零件所需的少量打印来反映。例如，如果团队在两次印刷中完成工作，而不是四次或五次，则生产过程的可靠性更高。

使用增材打印技术制造简单零件，该公司每月可以节省大约四次建造工作。这简化了Rosswag的运营，每年节省10万欧元(约合11.2万美元)。

对于复杂的零件，该仿真软件每个项目为公司节省了3万欧元(约合3.3万美元)，相当于10个打印作业。因此，由于每个工作需要两到三天才能完成，因此可以节省20到30天的打印时间。

用增材打印制造自行车

罗斯瓦格团队首先使用添加剂打印来帮助当地一名需要为设计比赛制造自行车的大学生。他创建了一个复杂的CAD设计，罗斯瓦格帮助他进一步改进了他的框架设计。

该团队挑战自己，开发AM零件，并将其与非AM零件连接起来，这些零件由碳纤维制成，占车架的三分之一。这提出了一个设计问题，因为模拟显示变形会阻止零件连接。模拟还揭示了一些外表面的轻微变形(外观问题)。

为了解决车架变形的问题，工程师们在不增加支撑结构的情况下修改了自行车的几何形状。此外，他们还调整了其外表面的几何形状，以获得抛光的外观。

为了打印这些部件，该团队使用了SLM 280HL选择性激光熔化系统。打印完成后，罗斯瓦格使用3D扫描系统来确认打印的部件是否符合其几何规格。

利用Ansys Add万博itive Print消除打印过程中的应变，将Rosswag的AM能力提升到了一个新的水平。该公司大大减少了支出，提高了可靠性，并比以往更快地向客户交付产品。万博网