引言

ANSYSexaSIM?是一系列金屬增材制造（AM）仿真工具，有助于深入了解關(guān)于激光粉末熔融的復(fù)雜物理現(xiàn)象。exaSIM能針對殘余應(yīng)力、變形和構(gòu)造失敗生成實用的解決方案，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)部件容差，避免構(gòu)造失敗，同時盡可能減少試錯試驗和應(yīng)力消除熱處理。STL文件能自動進(jìn)行變形補(bǔ)償，以抵消部件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的變形。

本案例研究展示了如何使用exaSIM變形補(bǔ)償功能，根據(jù)制造過程中預(yù)測的應(yīng)變對部件的STL文件進(jìn)行反向變形。當(dāng)使用補(bǔ)償后的STL文件生產(chǎn)部件時，在構(gòu)建過程中部件會逐步變形成正確的形狀。

精確的基于路徑的關(guān)鍵路徑時序

當(dāng)采用激光熔融金屬粉末時，收縮應(yīng)變會隨著每個位置的熔融和冷卻而積累。這些應(yīng)變會產(chǎn)生應(yīng)力，使部件變形與預(yù)期的形狀背離。變形的大小取決于幾何結(jié)構(gòu)、過程參數(shù)和材料。exaSIM能仿真構(gòu)建過程，利用逐層應(yīng)變的積累來預(yù)測變形。此信息可用來評估特定的幾何結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)如何影響組件的最終形狀。

自行車立管實例

GRMConsulting和BCIT提供了一種拓?fù)鋬?yōu)化的自行車組件：

（參見圖1和http://www.grm-consulting.co.uk/bcit-bike-stem）。

Renishaw在AM250系統(tǒng)上使用鈷鉻合金構(gòu)建了該部件。仿真顯示，減震架在從襯底上移除之后存在顯著的變形。一共構(gòu)建了兩個部件（一個有進(jìn)行補(bǔ)償，一個沒有進(jìn)行補(bǔ)償），以測試exaSIM的預(yù)測功能和變形補(bǔ)償工具。

仿真和構(gòu)建細(xì)節(jié)

研究人員利用exaSIMAdvanced和Ultimate中的各向異性掃描模式應(yīng)變功能預(yù)測變形。構(gòu)建參數(shù)和仿真假設(shè)如下表中所示。執(zhí)行第一次仿真時，為機(jī)器/材料/過程參數(shù)組合確定合適的應(yīng)變比例因子（SSF）。第二次使用校準(zhǔn)后的應(yīng)變比例因子執(zhí)行仿真，以測試變形補(bǔ)償功能的精確度。

仿真調(diào)整

為了調(diào)整SSF，將圖2中的未補(bǔ)償部件與圖3中的第一次仿真結(jié)果進(jìn)行比較。在部件與仿真之間比較所有圓的最佳擬合直徑和中心位置。研究人員找到能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果與底板上構(gòu)建部件的絕對差總和降到最小的比例因子，以此確定SSF的值為2.34。第二次仿真時，為了更準(zhǔn)確預(yù)測從底板上移除之后的變形，研究人員選擇了塑性變形（J2）。對于該幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)變形補(bǔ)償因子（DCF）是1時，截斷后的幾何結(jié)構(gòu)與目標(biāo)形狀非常接近。將exaSIM創(chuàng)建的STL文件（DCF為1）用作最終構(gòu)建時的輸入幾何結(jié)構(gòu)。

結(jié)果

如圖3所示，截斷后的第一次仿真結(jié)果預(yù)測減震架處（外圓）的變形最嚴(yán)重。exaSIM預(yù)測使DCF為1可以糾正此變形。如圖4所示，這些預(yù)測都十分準(zhǔn)確。在通過變形補(bǔ)償文件獲得的幾何結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建的減震架沒有變形；而如果使用初始幾何結(jié)構(gòu)作為輸入來構(gòu)建部件，減震架與預(yù)期的幾何結(jié)構(gòu)之間存在顯著變形。這些結(jié)果表明，在從襯底移除后可利用變形補(bǔ)償實現(xiàn)精確的部件，無需進(jìn)行熱處理。

結(jié)論

此案例研究展示了exaSIM變形補(bǔ)償工具的優(yōu)勢。設(shè)計人員和AM機(jī)械操作人員可利用激光粉末熔融增材制造技術(shù)制造完美的部件，而且在將部件從底板上移除之前無需采用昂貴的熱處理和應(yīng)力消除工藝。按照本案例研究中介紹的過程，exaSIM用戶可針對具體的機(jī)械/材料/過程參數(shù)組合來調(diào)整SSF并準(zhǔn)確預(yù)測部件變形效果，無需額外進(jìn)行試錯試驗，從而節(jié)省時間和成本。