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ANSYS增材制造的變形補(bǔ)償,構(gòu)建過程中的部件變形

時間:2018-09-06 10:46:26來源:技術(shù)鄰CAE學(xué)院

導(dǎo)語:?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。

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。

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