在增材制造工作流程中包括仿真

作者:Louise Geekie，项目经理，Croft过滤器有限公司，沃灵顿，英国

在设计一种新型工业滤波器时，Croft滤波器需要克服选择性激光熔化增材制造过程中的翘曲。通过在设计到打印工作流中利用Ansys的增材制造仿真解决方案additive Print，工程师能够快速生成可打印的设计，并避免多次构建失败，从而将上市时间和原型成本缩短了50%。

为了开发一种新型过滤器，以减少工业终端用户所需的泵送能量，Croft工程师推断，将孔与流动对齐将减少驱动流体通过它们所需的泵送能量。这种过滤器设计需要复杂的内部轮廓，传统制造方法实际上无法生产，因此Croft转向了金属增材制造。选择性激光熔化(SLM)增材制造工艺通过使用移动激光连续熔化粉末床的微小区域来生产零件。

当每个熔化部分冷却时，它会受到压缩和拉伸力，但由于它附着在附近的固体区域而受到约束。所产生的残余应力可能导致零件翘曲。在过去，克罗夫特的工程师们使用反复试验的方法来消除翘曲，或至少将其减少到可以满足尺寸公差的程度。通过使用Ansys添加剂打印解决方案为了指导他们解决失真问题的努力，他们将解决问题的时间缩短了一半，并将原型制作费用减少了大约相同的数量。

1. 第一次尝试用增材制造的方法生产零件，结果造成了相当大的变形。
2. ANSYS增材制造仿真的原始设计与实际零件上显示的畸变相匹配。
3. 克罗夫特的工程师首先进行了模拟，然后制作了一个原型(如图所示)，去掉了顶部部分，以诊断问题。
4. 重新设计零件的CAD模型，将支座纳入网格。
5. 支持和失真补偿的结合使消除失真问题成为可能。

采用SLM工艺构建过滤器

在SLM过程中，一个雨刷器将一层薄薄的粉末金属(在这种情况下是316L不锈钢)推过构建板，激光穿过该层，融化该层的区域，形成部件的横截面。当每一层完成时，另一层粉末被应用到部分构建的部分，激光熔化一个新的横截面。这个循环一直持续到零件完成。

当顶层部分的每一部分冷却时，固体底层抵抗热收缩，对顶层施加拉应力。同样，顶层对其下面的固体区域施加压应力。为支撑悬挑和导热而增加的部件和辅助结构的几何形状对残余应力有重大但难以预测的影响。相对自由移动的区域残余应力较小，而限制移动的区域残余应力较高。在这种情况下，成品部分不符合制造公差，因为残余应力在x和y平面产生了一些变形，在z平面产生了伸长。

在过去，克罗夫特的工程师们依靠反复试验的方法来确定零件方向、支撑结构、机器参数、材料规格和组件设计中的哪些变化将使他们能够满足制造公差。使用这种方法实现一个满意的部件通常需要4周的时间，并消耗大量的资源，包括工程时间，以生成新的设计迭代。在增材制造系统和更多粉末金属材料上也需要更多的构建时间来生产更多的原型。

Croft Filters将解决问题的时间缩短了一半，并将原型制作成本降低了大约相同的数量。”

利用仿真技术解决增材制造问题

模拟实现了这个项目中使用的更快、更便宜的方法。克罗夫特的工程师将原始STL文件上传到Additive Print。Additive Print提供了整个构建过程中逐层应力积累和高应变区域的图形可视化。该软件预测了已建成部件的变形和残余应力，包括原始、未变形几何形状和最终变形几何形状之间的差异的可视化，在支座拆除前后。这些结果提供了诊断信息，否则是不可能的。此外，信息的传递所花费的时间和成本比构建该部件所需的时间和成本要少得多。

模拟结果表明，这种变形主要是由高强度的顶部部分(实心环)引起的，它在过滤网较弱的上部产生了残余应力。工程师们通过模拟有和没有顶部部分的过滤器来验证这一假设。没有顶部部分，结果显示零失真。克罗夫特的工程师建造了裸露上身的部分来证实这些发现，结果与模拟相符。尽管上环对于保持零件的结构完整性至关重要，但在制造过程中导致变形的知识为设计过程提供了有价值的输入。

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符合设计规范

克罗夫特的工程师尝试在过滤网上增加支撑。这些支撑附加到顶部环，以增加过滤器顶部网格区域的强度。他们尝试使用两个几何形状的螺旋支撑，以避免限制流动，同时不会增加太多的材料重量和建造时间。他们还将进气道的形状改为五边形，以增加进气道面积，同时保持孔的自支撑性，并减少所需的支撑材料。当他们模拟新设计时，结果显示失真大大减少，但对该产品仍不满意。

然后，工程师利用Additive Print中的自动补偿功能，调整构建的几何形状以补偿扭曲。这一特征使零件的墙壁与变形发生的方向相反，以达到原始设计几何形状。他们模拟了失真补偿模型，发现它对失真进行了过度补偿，产生了与原始几何结构相反的少量失真。因此，他们使用Additive Print创建了一个新的几何图形，失真补偿比例分别为原来的0.75、0.50和0.25。所有模型的仿真结果仍然显示出失真补偿不足。最后，工程师们生成了一个失真补偿比例为0.90的模型。该设计基本消除了失真，达到了设计要求。

增材制造允许公司打印传统减法制造方法无法或非常昂贵的零件。但是，致力于将增材制造发展为现实制造过程的组织通常必须经历多次试错过程，才能成功地生成高保真零件。仿真指导工程师以比试错所需的低得多的成本和交货时间成功地创建零件和工艺。Croft工程师模拟了增材制造过程，以确定最佳的零件设计和机器工艺参数，同时最大限度地减少物理原型的数量。这部分的设计已经完成，正在向产品发布迈进。

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