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媒體報道

金屬增材制造仿真的解決方案與思路(上)

16/04/2019 安世亞太 字號:

李開復先生在《人工智能》這本書中提到柯潔與AlphaGo的對弈,對中國人產生了強烈的心理刺激,人們認為AlphaGo的勝利既是挑戰,又是激勵。這一天成了中國人工智能的“斯普特尼克時刻”。


“斯普特尼克時刻”本來是用來形容美國人在蘇聯于1957年10月發射的世界第一顆人造衛星所產生的焦慮,由此出發,美國設立了國家航空航天局(NASA),并開始對數學和科學領域給予了空前絕后的重視。


其實,3D打印作為正在掀起的新的工業革命的引擎技術,也有著它的“斯普特尼克時刻”。簡而言之,這個“斯普特尼克時刻”是由GE創造的,GE通過3D打印制造的噴油嘴,在2014年獲得了FAA的認證,而通過3D打印技術制造噴油嘴,將原來20多個零件變為1個零件,為GE減少了95%的庫存,降低了30%的成本,并提升了2.5倍的生產力。


最具心理刺激作用的是,通過增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題,還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且提高了GE的LEAP發動機的性能。GE為了滿足加工需求在Auburn, Alabama開設專門的增材制造工廠,預計到2020年將生產10萬個噴油嘴,增材制造成為GE航空的長期戰略。


由此出發,各個國家對3D打印作為增材制造技術給予了極高的重視。因為政府明白了,這項技術不是簡單的制造技術,3D打印撬動的是產品的再設計,對應的是制造領域關于生產效率的競爭升級到關于產品性能優化的競爭。


不過正如李開復老師提到的人工智能的發展道路經歷了炒作期,寒冬期,冷凍期,蘇醒期,回暖期一樣,人工智能發展的路上有著太多的“再過5年”才會到來的期盼,5年復5年,直到深度學習在最近幾年才有了長足發展,這場革命才終于到來。人工智能會在各個領域取代人工,顛覆勞動力市場,對人們產生深刻的社會心理影響。


這其實就是每一場革命的真實面目,我們以為革命是以暴風驟雨,橫掃一切般的降臨模式出現,但其實革命的到來卻像一個不受大眾待見的"怪胎“,不僅一開始立足點十分窘迫有限,還面臨著隨時夭折的危險。


3D打印的發展由于涉及到的因素非常多,包括人的認知與接受水平,材料技術,激光技術,仿真,監測,檢測,人工智能,數字雙胞胎等等,從文化到硬件,從硬件到軟件,3D打印領域需要更多的“斯普特尼克時刻”才能積聚社會的力量推動其良性的發展。


金屬3D打印包括直接金屬3D打印和間接金屬3D打印。

直接金屬3D打印我們通??梢酝ㄋ椎姆譃殇伔叟c送粉(或送絲)兩大類。


鋪粉方面,金屬粉末床熔融(PBF)是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術。PBF被認為是一種直接的金屬3D打印技術,包括激光熔化(SLM, DMLS)和電子束熔化(EBM)兩種加工方式,目前激光熔融方式被更廣泛的使用。在這個領域,活躍著眾多的品牌,包括GE收購的Concept Laser和Arcam、德國EOS、德國SLM Solutions、英國Renishaw、以及進入到PBF領域的機床廠商德國通快,以及德馬吉森精機等。


還有一種直接金屬3D打印技術(DED - 定向能量沉積技術)另一種應用工藝。


當然還有一種將LENS技術集成到CNC加工設備中的混合增材制造技術。


間接金屬3D打印技術,故名思意是指通過金屬3D打印過程所獲得的金屬零件并不是最終的零件,而是需要通過高溫爐的熱處理過程將金屬零件中的化學物質去除,從而獲得致密的金屬零件。


當然,當前間接金屬3D打印技術包括多種不同的技術,根據3D科學谷的市場研究一大類是以惠普,Exone,Desktop Metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting(粘結劑噴射)技術,另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術,第三類是例如Prodways與CEA Tech LITEN 開發的以樹脂為間接體的金屬3D打印技術,第四類是熔融長絲制造技術。


本文先聚焦到比較流行和常用的SLM粉末床熔化工藝上,SLM金屬增材制造工藝仿真是一個非常復雜的典型多尺度和多物理場的分析過程。多尺度體現在從宏觀尺度到介觀尺度再到微觀尺度的多尺度分析;多物理場則需要對包含成型溫度場、氣場(保護氣體)、熔體流場(熔池流體)、速度場(鋪粉過程)、及打印結構的固體應力和變形場等多物理場的分析,多物理場作用滲透在金屬增材制造成型的每個階段。


宏觀尺度的仿真分析主要是針對零件成型的工藝仿真,對成型過程中的應力應變、成型溫度場以及成型過程中可能存在的風險給出仿真預測。宏觀分析的對象是打印件自身和工藝設計的支撐對象,也可能包括基板和必要的機器設備信息如激光光源。根據工藝仿真算法的不同,目前又可以分為基于溫度與結構耦合的工藝過程仿真和基于固有應變算法的工藝過程仿真。


介觀尺度的仿真分析主要是針對熔池和粉末的分析,包括熔池流動性、熔池大小形貌以及粉末的流動性、粉末傳熱和熔化后的蒸發、飛濺等現象,考慮熔池內部的表面張力、毛細、浸潤,考慮馬蘭格尼對流,目前主要有等效熱耦合和CFD等方法應用于該分析,通過熔池動力學預測溶化過程尤其重要的凝固過程,獲取相變歷程、溫度及溫度梯度歷程包括凝固冷卻速率。


微觀尺度的仿真通過獲取宏觀或介觀尺度分析得到的溫度梯度或凝固冷卻速率,針對金屬增材制造后的晶體組織形態、晶粒大小與取向以及缺陷和性能預測等內容的分析,目前主要用到的重要方法包括相場法(Phase Field)、自動元胞機(Cellaur Automaton)等,不同的方法各有特點和限制。


金屬增材制造過程中涉及到的多尺度和多物理場



宏觀尺度的工藝過程仿真

目前應用于宏觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種,即溫度與結構耦合的(熱彈塑性)有限元分析方法和固有應變有限元分析方法。宏觀尺度工藝過程仿真分析結果通常包括:部件和支撐變形和殘余應力(去除支撐前/去除支撐后);逐層應力和變形;變形補償;刮板碰撞檢測;高應變區域;基于應力優化支撐等。


  •  基于溫度場和結構場解耦分析的工藝過程仿真

SLM過程中,由于熱源的移動性和局部性,溫度分布并不均勻,隨著光斑的快速移動,截面上各點的溫度也會發生急劇變化,材料性能也隨著溫度變化而變化,因此增材打印的過程中,溫度場是非線性瞬態熱傳導、對流和輻射問題,且溫度場與打印過程中所用的掃描策略以及打印工藝相關,溫度場的求解是一個很復雜的過程。


基于溫度場和結構場的解耦工藝仿真具體過程可描述如下:假設熱(溫度)和結構(變形和應力)物理過程為弱耦合過程,可以先逐層仿真熱現象,并在后續的結構仿真中利用節點溫度來計算結構(變形和應力)。在增材過程仿真中,單元格隨著時間逐層變化,首先用分層的笛卡爾網格將整個結構進行劃分,然后采用生死單元技術層層激活。此時相關的邊界條件也會發生變化,比如熱對流表面,邊界條件隨制造過程在內部自動更新。當所有的單元層都被激活時,就完成了整個仿真過程。


然而這種算法需要先對增材制造過程中各時刻的溫度場進行瞬態分析,需占用大量計算時間和存儲空間。商業軟件ANSYS Workbench通過對零件的溫度場進行逐層計算并累加,然后將溫度場作為初始溫度載荷施加到應力場中,對零件逐層進行應力場求解,最終得到DMD或SLM過程后零件的應力應變結果。

 

ANSYS Workbench Additive AM 工藝仿真流程

  •  基于固有應變的工藝過程仿真

固有應變理論源于焊接的工藝仿真過程,是由日本的學者提出的。所謂固有應變可以看成是內應力的產生源。若將物體處于既無外力也無內力的狀態看作為基準狀態,固有應變ε*就是表征從應力狀態切離后處于自由狀態時,與基準狀態相比所發生的應變,它等于總的變形應變ε減去彈性應變εe,即:
ε*=ε-εe

在焊接過程中,構件受到不均勻加熱并且產生塑性變形時,則固有應變即為熱應變εp、塑性應變εT和相變εX之和,即:

ε* =εP +εT +εX

固有應變存在于焊縫及其附近, 固有應變的大小和分布就決定了最終的殘余應力和變形。固有應變有限元方法著眼于焊接以后在焊縫和近縫區存在的固有應變(不考慮熔池動力學以及焊接整個過程中的溫度場),將固有應變作為初始值進行一次彈性有限元計算,就可以得到整個焊件的殘余應力和變形。金屬增材制造過程可分解成一個個單獨的焊接過程,因此固有應變有限元分析方法同樣適用于金屬增材制造。


利用固有應變理論進行工藝仿真時,結合金屬增材制造的具體過程又可以分為以下三種計算模式,即假定均勻應變、掃描應變和熱應變。


  • 假定應變模式


假定均勻應變是假設在金屬增材制造成型過程中,每個區域所受到的固有應變的大小都是均勻和各向同性的,其大小與材料的屈服強度和彈性模量相關,即 

宏觀尺度的工藝過程仿真

目前應用于宏觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種,即溫度與結構耦合的(熱彈塑性)有限元分析方法和固有應變有限元分析方法。宏觀尺度工藝過程仿真分析結果通常包括:部件和支撐變形和殘余應力(去除支撐前/去除支撐后);逐層應力和變形;變形補償;刮板碰撞檢測;高應變區域;基于應力優化支撐等。


  •  基于溫度場和結構場解耦分析的工藝過程仿真

SLM過程中,由于熱源的移動性和局部性,溫度分布并不均勻,隨著光斑的快速移動,截面上各點的溫度也會發生急劇變化,材料性能也隨著溫度變化而變化,因此增材打印的過程中,溫度場是非線性瞬態熱傳導、對流和輻射問題,且溫度場與打印過程中所用的掃描策略以及打印工藝相關,溫度場的求解是一個很復雜的過程。


基于溫度場和結構場的解耦工藝仿真具體過程可描述如下:假設熱(溫度)和結構(變形和應力)物理過程為弱耦合過程,可以先逐層仿真熱現象,并在后續的結構仿真中利用節點溫度來計算結構(變形和應力)。在增材過程仿真中,單元格隨著時間逐層變化,首先用分層的笛卡爾網格將整個結構進行劃分,然后采用生死單元技術層層激活。此時相關的邊界條件也會發生變化,比如熱對流表面,邊界條件隨制造過程在內部自動更新。當所有的單元層都被激活時,就完成了整個仿真過程。


然而這種算法需要先對增材制造過程中各時刻的溫度場進行瞬態分析,需占用大量計算時間和存儲空間。商業軟件ANSYS Workbench通過對零件的溫度場進行逐層計算并累加,然后將溫度場作為初始溫度載荷施加到應力場中,對零件逐層進行應力場求解,最終得到DMD或SLM過程后零件的應力應變結果。

 

ANSYS Workbench Additive AM 工藝仿真流程

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