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製造工藝的推手
2021.08.17

製造工藝的推手

 

儘管在工業 4.0 場景下有很多關於服務方法的討論,但創新實體產品的開發仍然是製造業的重中之重。創造新產品是人類可以做的最具認知挑戰性的活動之一,這一事實並沒有改變。這是因為它使我們面臨的任務通常是在不明確和相互矛盾的製造要求的背景下設計新的解決方案。

為了節省時間和成本,在產品開發中已經建立了基於合適建模的模擬和計算,以便在很大程度上免除用於性能保證的物理原型。模擬還用於支持生產和材料導向的設計。

選擇最合適的製造工藝並不容易,因為有很多可供選擇——各有優缺點。最重要的技術包括鑄造、鍛造、銑削、鑽孔、焊接、焊錫和各種增材製造工藝。例如,齒輪可以通過鍛造或不同的滾齒工藝同樣好地製造。然而,這些工藝在可達到的精度、表面質量、必要的加工時間、所需的機器和工具以及它們的靈活性方面有所不同。

在鑄造中,模具或模型必須首先在落錘鍛造模具中生產。由於它們非常昂貴,因此這些過程僅適用於較大的數量。然而,3D 列印以其巨大的設計自由度而聞名,但後處理是一個相當大的成本驅動因素。大約 30% 到 40% 的製造成本必須用於零件的再次加工,例如清潔、移除支撐結構或完工的表面。

CAx 工具的必要條件

為了在產品開發中獲得這種技巧,開發環境必須滿足最高要求。儘管有許多強大的 CAE 工具可用於評估組件屬性和製造過程對工件的影響,但這些通常是純粹的專家系統,只有經過驗證的計算工程師才能有效處理。此外,模擬和計算通常沒有明確地錨定在製造公司的開發部門中,只是偶爾使用。例如,這是根據具體情況與外部服務提供商協商。結果,在產品開發過程中,設計創建和功能驗證之間會出現信息鴻溝。

為了盡快獲得有關設計提案的有意義的反饋,將功能驗證與設計緊密聯繫起來至關重要。畢竟,工程師不必閱讀來自外部 CAE 專家的長達數頁關於問題的報告,而是盡快找到解決方案,這一點很重要。因此,如果在 3D 列印過程的設計中出現了多孔區域,則必須立即看出閉合補丁將如何影響整個設計。

但要小心——市場上通常提供的集成 CAD/CAE 環境通常無法提供必要的計算結果質量,因為實施的求解器僅在非常有限的應用範圍內提供可靠的結果。這意味著用戶必須求助於(非集成的)高端 CAE 工具或去下一個工程服務提供商。但是,Altair 採用了不同的方法,並通過 Altair Inspire 提供了高度直觀的建模工具。 Inspire 包括 Altair 深度集成的市場領先求解器技術,例如 Altair AcuSolve™(流體動力學)、Altair MotionSolve™(多體動力學)、Altair SimLab™(多物理場)、Altair Radioss™(非線性結構分析)、Altair HyperMesh™、和 Altair OptiStruct™(線性結構分析)。

此外,各個 Inspire 模塊功能可以訪問強大的前處理器和後處理器,例如 Altair HyperMesh™、Altair HyperLife™ 和 Altair HyperView™。此外,還可以通過 Inspire 訪問來自 OptiStruct 和 Altair HyperStudy™ 優化環境的技術。通過這種全面的方法,Altair 彌合了產品開發過程中的差距——無論是在以功能為中心的設計優化還是在選擇最佳製造方法方面。

我該選擇哪種生產工藝?

每個部件都有其獨特的特性,尤其是在 3D 列印方面。 一個地方多一點支撐材料,另一個地方少一點室壁厚度——借助 Inspire,用戶可以研究 3D 列印過程的每一層,看看有什麼不同,以及需要採取哪些措施才能達到最佳效果。 與其他系統供應商的虛擬機概念不同,他們首先考慮是否可以使用 3D 列印機生產工件,Inspire 還確保創建的設計可以使用分層構造過程進行最佳生產。

當然,Inspire 的選擇不僅限於 3D 列印,還包括鑽孔、銑削、切割、鑄造、成型和擠壓。 還應該提到的是,在 Inspire 環境中從一種生產過程切換到另一種生產過程非常容易。 當然,設計會發生變化,但用戶始終可以確保所提供的解決方案反映了最佳解決方案。

形式追隨功能

當然,最合適的製造過程只是尋求滿足每個利益相關者的解決方案的一個方面。無論如何,為相應的應用找到無與倫比的幾何形狀是很重要的。計算機和規則系統通常比人類更擅長這樣做。拓撲或形狀優化用於盡可能提出工件輕的幾何形狀,同時提供盡可能高的剛度和耐用性。規則系統在有限元方法的幫助下去除了非承重區域,在真正需要的地方添加了加固物、肋和通道。

拓撲優化為給定載荷下的組件計算有利的基本形狀,然後使用其他工具適應給定的邊界條件。在形狀優化中,邊界(表面)被修改,以便最大應力減小和均勻化。

Altair 提供的拓撲優化的亮點在於,它不僅考慮了負載和空間限制,而且還考慮了上述不同的製造工藝。因此,可以針對鑄造明確地執行優化。或 3D 列印。通過這種方式,可以使用確鑿的事實來衡量各個過程。

Inspire 提供了一系列拓撲選項,包括優化目標、應力和位移條件、加速度、重力和溫度條件。此外,用戶可以對同一個 3D 模型執行線性靜態和普通模式分析,將位移、安全係數、伸長率和壓縮率的影響可視化,並且總能一目了然地獲得最終的 von Mises 和主應力。

Inspire 配備了一個包含各種鋁、鋼、鎂和鈦合金的材料庫。也可以添加定製材料,並研究它們的效果。可以使用滑塊添加或刪除材料。

眾所周知,零件不會自行產生。因此,技術提供商提供了創建多個裝配變體的可能性。這些配置可用於播放和評估不同的設計方案和由此產生的概念。

這使得可以輕鬆模擬複雜機構的動態運動,自動識別觸點、關節、彈簧和阻尼器。從運動分析中獲得的力可用作結構分析和優化的輸入,或可用於確定電機和執行器的啟動參數。

左圖:航空工業安裝支架的初始設計。 目標是在具有相同或更高剛度的情況下減輕重量。

中圖:顯示的是具有定義安裝空間的初始設計。

右圖:下面是後續計算的結果。

左圖:帶分析的優化設計。

中圖:借助 Altair Inspire 套件的工具 PolyNurbs,可以快速創建封閉的自由曲面。 這裡應用於優化和分析的設計。

右圖:新的設計成果令人印象深刻。 所謂的buy-to-fly從 17 降低到 1.5。 它表示半成品的初始重量與成品部件的最終重量之比。 值為 1.5 意味著在生產中僅消耗了原始原材料的 50%。

新設計(正面)與原始設計相比

 

結論

任何面臨決定大量投資於模擬和計算的人都應該首先考慮深度集成的 CAE 基礎設施應該始終是工業 4.0 方法的核心組成部分。 Altair 的 Inspire 開發環境不僅提供卓越的建模工具,還提供市場領先的求解器和最佳實踐解決方案策略,從而實現了這一目標。 它幾乎適用於每個既定的製造過程。 難怪 Inspire 受到設計師和商業專業人士的重視:前者可以自由發揮創造力,而後者則可以在開發部門享受成本降低和時間節省。 兩個目標群體都很高興受到 Inspire 的啟發。

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