复合材料扩展工业3D打印调色板

By Ansys Advantage Staff

近40年前，一位名叫Hideo Kodama的日本研究人员通过快速原型系统运行光聚合物，创造了一台基本的3D打印机。如今，3D打印产品和服务的全球市场规模巨大，估计在400亿至510亿美元之间未来似乎只有蓝天，复合年增长率约为26%。²

考虑到3D打印的神奇本质——它已被用于构建从人类膀胱(维克森林大学再生医学研究所的一个项目)到工作船只(缅因州大学先进结构和复合材料中心打印的2.2吨船)的所有东西——人们很容易认为，每一个可以取得的进步都已经实现了。

但是，随着需求的加速，分配给3D打印机的任务变得越来越困难，例如构建具有挑战性几何形状的部件。客户还要求更复杂的打印材料，包括纤维增强树脂，这种树脂比行业发展起来的普通热固性聚合物更坚固、更耐用、功能更强。这意味着性能更好、更快、更经济的新打印技术还有发展空间。

为了扩大工业应用的复合打印能力，并允许客户利用曾经不可思议的材料，或者至少是不切实际的，Fortify的工程师开发了FLUX ONE 3D打印机。

FLUX ONE 3D打印机通过将成熟的纤维增强策略与高分辨率数字光处理(DLP)打印相结合，实现了复合材料构建过程的自动化。该打印机的特点包括连续混合陶瓷纤维和其他增强光聚合物的功能性添加剂，以及纤维链的磁性排列，以提高强度和刚度。

加固工程师使用Ansys麦克斯韦(Ansys Electronics桌面的一部分)，Ansys流利和Ansys机械仿真软件简化整体产品设计，缩短上市时间，优化打印机磁场，管理热交换并降低功耗。

工艺提高产品的一致性和强度

Fortify关注的领域之一是工业注塑模具。无论模具是用于原型制作还是小批量生产，对打印模具的要求都是相同的:精度，高细节分辨率，行业标准的表面处理和耐高温。

传统的3D打印机往往难以提供这些必需品。功能性添加剂可以解决

在打印机的底部，造成从上到下的不均匀分布，降低了工具的质量。此外，在注射过程中，让数百万根微纤维正确排列——这是强度和耐用性的标准——一直很难实现。

FLUX ONE 3D打印机克服了这两个问题。其专利的连续动力学混合(CKM)工艺确保了材料性能与广泛的复合材料悬浮液一致。打印机还配备了Fluxprint，这是一个带有多个大型磁线圈的校准模块;通过在纤维上涂上一层磁性材料，然后在整个构建区域施加磁场，FLUX ONE 3D打印机可以有选择地对齐纤维，以加强部件，减少脆弱区域磨损或破损的风险，并改善热或电性能。

模拟使磁场优化

在优化磁通密度(即磁场的大小)的同时，创造一个可以快速调整到任何方向的磁场，这一挑战绝非易事，尤其是当工程师们必须控制打印机的电力需求和运行成本时。

通过Ansys Maxwell电磁场仿真，Fortify的工程师模拟了许多根本不同的磁性设计。通过串联运行电磁线圈的模拟，该团队可以分析建筑不同区域的场方向公差，并确定产生每个场需要多少功率。

特别有用的是Maxwell的探测工具，它使Fortify的工程师能够快速轻松地迭代设计，应用边界条件，在不同的电流下运行模型，并在构建区域的不同点测量结果。这将一个复杂的问题简化为几个重要的输出参数，包括磁场的电效率。

麦克斯韦模拟还帮助他们理解了通过流体冷却系统(在Fluent中设计)产生磁场和交换热量所需的功率与控制磁铁的电感之间的关系，即磁铁倾向于反对流过它的电流的任何变化。最终，这使Fortify能够优化磁铁性能和响应，同时去除热量并保持合理的功率要求。

Fortify也使用Ansys机械作为工程尽职调查的一部分，模拟打印过程中对力的机械响应。

打印机实现新一代性能

最终，在FLUX ONE 3D打印机原型制作之前，Fortify工程师进行了数十次设计迭代。如果没有有限元分析中的快速迭代，他们就不可能得到磁性设计;换句话说，Ansys模拟实现了一种否则无法找到的解决方案，它代表了3D打印材料在注塑模具和其他应用中的性能发生了以前难以想象的变化。

来源

1. ”3D打印市场价值517.7亿美元，复合年增长率25.8%，《财富商业观察》
2. ”2020 - 2024年全球3D打印产品和服务市场规模”Statistica