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掌握產業趨勢!Altair推出3D列印模擬
2020.03.11

借助Altair模擬應用程序創建的用於3D打印的筆不需要支撐結構。使用結構可能會使零件成本增加45%至50%。

(圖片由SLM Solutions提供。)

我們有關3D打印模擬的第1部分和第2部分的兩部分系列設法遺漏了關鍵參與者:Altair。為了彌補我們的疏忽,我們與Altair的仿真驅動設計戰略與業務開發高級副總裁Ravi Kunju進行了接洽,這是填補我們職位的最佳人選。

Altair 模擬驅動設計戰略與業務開發高級副總裁Ravi Kunju。

拉維,給我們介紹Altair的一些背景知識。

Altair一直是一家全球技術公司,在各個領域提供軟件(包括基於雲的解決方案),尤其是在產品設計,產品開發,高性能計算和數據分析領域。我們的願景一直是通過高級仿真,高級數值方法,優化和數據分析來轉變業務決策。

現在,讓我們深入研究增材製造以及一般製造,因為多年來,我們已經在高端方面投資於製造過程仿真工具,無論它是用於金屬擠壓,鑄造,鈑金成型等。對我們來說,增材製造是另一個難題。如今,人們對其進行了大肆宣傳,但仍不到所生產產品的1%。

Altair在生成設計領域是否會優先考慮自己?

Altair在創造生成設計的領域處於領先地位,特別是在設計上能夠滿足性能需求,這比業內其他任何公司都要好。過去,我們曾在美國與波音公司以及世界各地的航空航天公司合作。

3D打印期間金屬筆身的最大位移。Altair應用程序幫助構建了沒有任何支撐結構的筆身。(圖片由Altair提供。)

每個人都使用我們的拓撲優化工具和生成設計工具來創建針對特定目的的設計。但是在過去的幾年中,我們已經確定了仿真驅動的設計方法對於驅動設計師至關重要。當設計人員需要確保需要輕量化的零件的高效設計時,它可以在所有負載條件下均能正常工作,並且可以同時製造。因此,我們一口氣達到了這三個目標,同時兼顧了所有性能要求,製造要求,並創建了可以製造的重量輕的有效設計。

對於設計師來說,前期仿真又如何呢?

因此,在過去,我們擁有的解決方案可以要么驗證產品是否適合模具,腳輪鈑金,要么驗證製造過程,但是後來我們意識到我們需要將所有內容都納入設計週期。這就是Altair Inspire平台的起源。我們開始確保設計人員可以使用整個優化方法,而不僅僅是了解網格劃分和建模規則的高端分析師。我們不僅在設計過程中將其放在了首位,而且還使設計師可以輕鬆地消化信息。

Altair如何獲得特定的製造工藝?

使用Altair,生成的設計可以考慮將在其製造中使用的過程。(圖片由Altair提供。)

Inspire平台生成設計,但同時知道所需的製造過程,因此最終形狀將適應該過程。例如,如果您有註射成型零件,則可以指定牆的最小或最大厚度。如果您有鑄件,則可能不希望將任何型芯放入鑄件中。如果您有鈑金零件,則需要滿足特定的頻率目標。如果您的零件是用增材製造製成的,那麼最大的問題之一就是後處理,去掉支撐。我們已經了解了具有最少支撐結構的最佳設計。您定義這些條件。

這就是我對製造過程的了解。當我們將其合併到生成設計和拓撲優化工具中時,我們便能夠生成適合於製造過程的設計。它內置在Inspire框架中。

這是我們開始生成設計的地方。同時,我們添加了3D打印模塊以解決激光燒結過程。您可以為該特定過程生成一個設計,該設計也可以在一個單一的環境中通過熱機械仿真進行驗證。

我們在Altair技術大會和去年的formnext上展示了這一點。我們不僅為傳統製造工藝和增材製造生成了設計,而且通過增材製造,我們將其分解為具有混合增材製造工藝的傳統製造,其中我們先進行砂3D打印和砂模成型,然後將鑄件倒入它。然後,我們將其用於沒有任何支撐結構的選擇性激光熔化(SLM)。我們為熔融沈積方法創建了一種設計,該設計要求厚度以及燒結過程中的變形。我們還為粘合劑噴射做了一個。它們都有不同的製造要求,但是我們為它們中的每一個生成了一個設計。

就在您對零件影響最大,進行設計並考慮製造流程的時候,我們將在單個Inspire平台內提供所有工具。

隨著3D打印零件的變形,您該如何解決?

我們稱其為“補償形狀”,即在變形後為所需形狀。任何類型的增材製造都需要補償形狀,這對於金屬燒結工藝而言尤其重要。選擇性激光熔化(SLM)工藝和選擇性激光燒結(SLS)工藝之間的區別在於將金屬粉末聚集在一起的方式。

要么使用粘合劑,然後將粘合劑與金屬粉末一起通過進樣器噴嘴擠出,然後將其堆積起來。這就是被稱為熔融沈積建模(FDM)過程的過程。粉末和粘合劑在一起,並逐層構建零件。或者,第二種方法是像在選擇性激光熔化過程中一樣鋪開薄粉末層。您有一個非常細的層,厚度為幾微米,並且有一個噴射流將粘合劑噴塗到需要粘合材料的位置。您正在使用粘合劑和金屬粉末粘合在一起的方式創建“綠色零件”。如果您在製作完綠色零件後將其放在地面上,則它可能會分解成粉末。

無論是通過熔融沈積還是通過粘合劑噴射製成的,您都將綠色部分稱為它。活頁夾噴射就像打印。想像您要打印,放入墨水紙,除了使用墨水以外,您還需要在需要裝訂的地方使用粘結劑。其餘粉末未粘在一起。因此,他們將其構建在紙上。您只有一個二維-您一次要構建一層。最後,您將獲得一個三維綠色部分。

未加工的部分必須放入燒結爐中,接下來最大的不同是該爐處於高溫狀態,並且進行了精細控制以避免碰到金屬的熔點,但它的溫度足以熔化或燃燒掉。粘合劑材料。金屬粉末開始熔合,各層之間擴散而不熔化。

那熔池呢?

通過選擇性的激光熔化工藝,可以形成一個熔池。

想像同樣的粉末,想像一下托盤上有一薄層粉末。有兩種方法來綁定它。一種是您可以使用激光槍,也可以熔化粉末,因此現在您創建了一個熔池。想像一下,一個小型激光裝置在想要綁定它的任何地方都創建了一個熔池。然後有一個重新塗佈機,然後是下一層。在第二種方法中,您不是在熔池中融化,而是在澆鑄粘合劑,而是將粘合劑噴在要使其聚結的確切位置,然後將其帶入燒結爐中。

熔池是在激光熔化過程中產生的,而不是在燒結過程中產生的。

在燒結過程中,收縮率通常約為15%至20%。因此,您有一個綠色部分,並且由於各層之間發生擴散,因此存在失真。這會導致整體失真。讓我們採用簡單的幾何形狀,例如立方體。如果燒結它,它將縮小成一個較小的立方體。但是,假設您要打印更複雜的形狀。擴散不均勻地發生。您不僅會得到全球收縮,而且還會出現翹曲。

均勻收縮-這是一個容易解決的問題嗎?

如果是均勻收縮,那就沒關係了。這將是一個容易解決的問題。

Altair解決了不均勻收縮的問題嗎?

如今,我們實際上能夠解決的過程僅僅是選擇性的激光熔化,我們在其中進行熱機械仿真並確定變形是什麼。

燒結是棘手的。我們今天不進行燒結模擬。這是一個非常具有挑戰性的模擬。一家3D打印機製造商聲稱可以使用大量數據,機器學習和其他技術來做到這一點。但是即使在今天,如果您給他們一個複雜的部分,那麼他們將需要六到八週的時間才能弄清楚什麼(將是)最佳形狀。也許他們已經將周期縮短到不到四個星期。這是一個反复的過程。當今市場上沒有仿真工具可以準確地預測燒結變形和燒結過程中發生的翹曲。非常複雜。

在六到八週內會發生什麼,以找出最佳形狀?

迭代。您必須實際打印零件。補償。重複。

這是一個棘手的問題。讓我讓您重新構想兩件事。我想將其分解為兩個獨立的問題。一種是獲得易於製造的形狀。可以產生的變形量最小的最佳形狀是什麼?這是我們調整製造限制的地方。我們與這些製造商緊密合作,以了解造成這種失真的原因。我們有一些技巧。我不想確切說明,但它涉及質量分佈的位置。這樣,您就可以減少激光燒結過程中的變形。這並不意味著我們能夠完全消除失真,但是我們將為您提供更好的設計,該設計中失真均勻地分佈並且在一個地方沒有真正的大失真。

您是否會說由於Altair可以解決某些變形,工程師可以減少迭代次數來創建最終零件?

不,那麼,讓我再這樣說。我談到了兩個垃圾箱。一種是提出設計,第二種是驗證您的製造過程。讓我們將兩者分開一秒鐘。

您的起點應該是該過程的最佳起點。我們非常善於提出燒結零件的起點,因為我們有一些技巧可以獲取製造約束,我們可以對其進行調整以達到一個良好的起點。在過程驗證方面,如果您有設計。今天,我們沒有工具來進行燒結的過程驗證,因為它很複雜。我們正在研究它,並且非常認真地研究它。但是我們現在只能驗證選擇性激光熔化過程。因此,從驗證的角度來看,我們僅在驗證激光熔化過程。將來,我們希望看到我們也可以完成燒結過程。

在SLM的情況下,我們的軟件將產生最少的失真,並且產生最少的支撐結構,因此我們可以做得比其他任何人都要好。最好將這兩個過程(過程模擬和生成過程)保持為兩個不同的事物。

總而言之,我們可以找到SLM零件的補償形狀。對於燒結過程,這是極其複雜的。

我們仍在研究問題並研究已發表的文獻,以創建可用於仿真的降階模型。但是目前,我們正在探索,其他也在探索中。可能有多種解決方案。

Altair的仿真方法是否比製造產品能更快地將產品推向市場?

是的,一點沒錯。當我們更改起點並且迭代過程從十個星期變為一,兩週或三週時。但是,同樣,這僅用於粘合劑噴射。

請記住,金屬噴射工藝是全新的。在燒結過程中使用金屬粉末時,您將無法獲得100%的密度,因為始終會存在一些間隙。

密度可能很高-甚至有其他工藝的密度也可以達到97%至98.5%-但永遠不會達到100%。裡面仍然會有一些空隙。我們還提供了從性能角度考慮空隙的方法,並且我們可以基於密度降低對其進行評估。

在整個零件模型中,密度均勻地降低了嗎?

是的。我們創建一個降階模型。我們有一個稱為Multiscale Designer的工具。它也用於復合材料仿真中,在該仿真中您必須處理纖維的方向。降階模型可以管理密度以及許多其他事情。

方向強度特性也可以嗎?

是的。我們針對每個過程進行校準。我們在晶胞上創建一些東西,並將該晶胞傳播到整個模型中。今天,我們對複合材料進行這種處理,並且將其擴展到燒結過程,並且可以很容易地實現一定的密度降低。

是否會因為增材製造中的分層而用於降低Z軸上的強度?

是的。這完全取決於您如何校准單位電池。單位單元可以具有構建方向的信息。

Multiscale是單獨的產品嗎?

是的。使用Multiscale Designer,您可以在晶胞級別上表示模型。您可以將這種方法用於可以復制基本單元的任何類型的問題。例如,晶格結構。

今天,如果您想僅使用有限元來建模晶格結構,它將創建一個非常精細的模型。處理該問題的方法之一是用tet,quad或hex元素填充它。或者,您可以說,在通過特定過程進行校准後,各個元素的作用類似於另一種形狀(如菱形),無論是用於變形,結構分析還是其他一些機械模擬。然後,您可以將其傳播到整個模型。

可以從菜單中選擇晶格嗎?

在設計方面更多。在設計端定義了晶格結構後,我們可以告訴您需要將材料密度設為100%的位置。

Altairsoftware是否具有使用網格進行設計的能力?

是的,從設計的角度來看,我們可以告訴您要放置哪種格子。那裡已經有很多年了。但是從增材製造的角度來看,我們可以對此建模嗎?

然後,您可以採用設計的晶格結構,並使用具有從Multiscale?派生的屬性的均勻體積對其進行仿真。

是的,您可以使用我們的Multiscale Designer MD。

這樣就可以解決問題。否則,您將擁有太多無法解決的元素。

正確的。就我個人而言,我並不是格子的忠實擁護者,尤其是對於已加載的結構。製造過程中的變化很大,以至於晶格會遇到很多問題,並且在打印模型中會出現不一致的情況。這就是當今機器的方式。您可以嘗試獲得一致的晶格,但是如果失敗,您怎麼知道?您不能輕鬆地進行光學檢查。

因此,如果格子在屏幕上看起來漂亮漂亮,則3D打印機可能無法製作它們。而且您無法檢查它們,所以您不會知道嗎?

他們是這樣; 他們能。可以微調3D打印。但是,如果要進行大規模生產,一致性就會成為問題。對於一次太空探險(一次性完成),您需要減輕重量。你會做對的。但是,您可以像這樣製作多個零件嗎?我並不是說我們不能做到這一點,但是隨著我們將其擴展到更大的數量時,可能會出現不一致的情況。在起落架由格子製成的飛機上,我會感到舒適嗎?今天,在增材製造領域,我對此並不滿意。

我不會在那架飛機上。或者,如果格子部分在機翼中。您說您意識到製造過程。具體程度如何?例如,軟件可以是特定於機器的嗎?

我們可以調整過程,而不是特定機器。無論是SLM,粘合劑噴射,鑄造等。因此,從該角度來看,它並不了解機器本身到底是什麼。但是它意識到過程是什麼。

對於過程仿真,我們可以詳細介紹。例如,熱機械仿真。可以包括其他參數:正在使用的打印機的床身尺寸,激光的瓦數。您可以將其作為輸入。但是您不能提供製造商和型號,也不能一次定義用於仿真的所有仿真參數。

那支持呢?您說您可以幫助您進行需要更少或不需要支撐的零件設計嗎?

是的。我們有一個稱為“突出約束”的東西。發生的事情,特別是在選擇性激光熔化的情況下,是您正在打印,而且正在上升。如果零件的角度小於45度,則需要具有支撐結構。如果下方沒有任何東西,則底面會變形。

每次有水平截面時,都需要支撐。如果該角度超過45度,則可以忍受。

筆的手繪草圖可以導入Altair Inspire,以轉換為實體模型。(圖片由Altair提供。)

讓我給您一個簡短的想法,我們正在談論什麼以幫助您理解。我們有一個完整的構思工具。它被稱為Inspire Studio,它是Inspire平台的一部分。您可以繪製草圖,可以導入草圖,可以對其進行掃描並可以開始繪製線條。就其最初的設計師而言,這是一個革命性的產品。它具有構造歷史-您可以創建折線,可以非常非常快地創建實體。

您在這裡所做的一切,僅是從設計角度而言。您以這樣一種方式設計它,即使您看到的內部格子的角度都在45度以內,因此不需要任何支撐。我們在此過程中進行仿真。例如,您正在打印筆。您可以提取它,然後就可以開始使用了。我們剛剛創建了這支筆,其優點在於我們完全沒有支撐結構。

另一個例子是寶馬所做的事情,這幫助他們贏得了Altair啟蒙獎。我們將性能,可製造性和效率結合在一起。例如,以裝配體的支架為例。可能會有很多負載進入。您想提取這些負載。因此,我們要做的就是承擔所有這些負載,這成為您性能的基礎。並非每個人都能像我們一樣承擔所有負擔。

您是說您可以一次獲得所有負載並在其他人可能需要順序施加它們時同時施加它們嗎?

是的。其他的則一次加載一個。

可製造性是什麼意思?

我們可能有相同的設計要求,但是如果要加工零件,則它具有一種形狀。如果要鑄造,它將具有不同的形狀。如果將其進行3D打印,它將具有不同的形狀。如前所述,我們已經將其擴展到了3D打印之外,並在3D打印過程之間進行了區分,例如它是SLM,是粘合劑噴射過程還是是熔絲沉積方法。所有這些,如果您看一看,它們的性能是相同的,但是形狀都不同。

這就是為什麼即使在推動設計的過程保持不變的情況下,我仍將這些構建分別保存的原因。

假設您決定製造一個鑄件。無論製造過程是什麼,我們都會針對組件的目的生成特定的設計。設計過程是相同的。最後,您必須選擇製造過程。我們可以進行鑄造模擬來確定孔隙率將在哪裡。那會告訴您您需要在何處安放大門。這就是我們理解要捕獲的所有過程參數的意思。

新聞來源:engineering.com

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