导 读

增材制造,又叫3D打印,是以数字模型文件为基础,将材料逐层堆积形成三维实体的技术,原理看似简单,但它对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生了深刻影响。当前增材制造技术面临可靠程度低和不可预测性等问题,而采用基于物理的仿真技术来优化材料、工艺、结构设计等参数,不仅能够预测增材制造的加工过程,而且有助于实现一次性打印成功的目标。

如何实现增材制造在完整工艺链中的集成?

本期讨论的主要问题

  • 国内增材制造技术发展现状及研究重点是什么?
  • 增材制造看似火热,但应用普及很是缓慢,问题出在了哪里?
  • 仿真技术可以应用于增材制造工艺的哪些环节?
  • 需要满足什么条件,才能应用增材制造技术生产出轻量化、高性价比的优质产品?
  • 增材制造所生产的产品表面为何不是过于粗糙,就是过于精细?
  • 与传统制造方式相比,增材制造在提高材料利用率方面有什么优势吗?
  • 增材制造未来发展的趋势是什么?

增材制造过程所面临的各种挑战

业界观点

朱戈

朱 戈

欧特克仿真技术经理

关于增材制造应用普及缓慢

"个人认为,很多问题出在对基础科学的研究。因为国内很多企业只是热衷于买几台3D打印设备来使用,而没有接近底层的研发,例如对金属材料的熔融再结晶的特点、热处理的工艺特性等这些材料科学方面的研究不够深入,增材制造的底层研发都没做好,更别说普及了。"

关于仿真技术可以应用于增材制造工艺的哪些环节?

"其实仿真技术是可以贯穿产品从设计到制造的整个周期的,注意这里说的是"从设计到制造",而不只是"增材制造",因为增材制造只是整个产品生产周期的一个环节。例如传统的拓扑优化引入了增材制造的设计仿真,增材制造自身的加工约束——诸如考虑添加支撑、热处理、去除支撑、控制预变形等问题也都可以通过仿真分析而解决。"

关于应用增材制造技术生产轻量化、高性价比的优质产品所需要的条件

"就使用条件而言,用好增材制造技术前提条件包括人员培训、知识储备、物料准备、软投入等。由于我所在的是软件公司,所以单从软件的角度来看,最好能掌握覆盖全流程的3D打印软件,包括模型修复、仿真优化、打印排版、添加支撑、制作切片、设计/优化激光路径、生成机代码、过程仿真分析、模型预变形/补偿等功能。"

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徐成斌

徐成斌

澳汰尔高级技术工程师

仿真技术可以应用于增材制造工艺的哪些环节?

"仿真技术在增材制造的设计阶段就可导入,一直到成品阶段都有相关应用。具体而言,仿真技术在增材制造过程中可分为四个主要应用场景,分别是设计阶段、打印准备阶段、制造过程仿真阶段和增材制造修补阶段。此外,目前的增材制造应用往往还需结合传统工艺,互补各自不足,这自然会运用到相关如铸造仿真或加工中心的仿真技术。"

增材制造所生产的产品表面为何不是过于粗糙,就是过于精细?

"目前的增材制造技术,无论是熔融堆积还是激光烧结,都限定了喷头(激光头)的有效大小和电机步进都仅能在非常小的范围内调整。同样的问题,在早期的车床和铣床加工中也出现过。相信随着增材制造技术的发展,配备多喷头(或大功率激光器)的设备和与之配套的路径规划软件应该同样能改善直至解决这一现状。"

与传统制造方式相比,增材制造在提高材料利用率方面有什么优势吗?

"增材制造能提高材料利用率是显而易见的。在加工过程中,增材制造只要合理回收粉料,就可用于二次生产,几乎不存在多余浪费;在设计端,由于不再受加工方法的限制,结构设计只需要其真正需要的材料了,例如某结构需要提高刚度,在传统设计中因为考虑加工方便常常添加一整块肋板,在增材制造中可以直接制造出一根筋条达到相同的效果,而材料仅使用原有的一半甚至更少。"

包刚强

包刚强

安世中德技术总经理

关于国内增材制造的发展现状和研究重点

"整体来看,国内增材制造前景可观,但任重而道远。增材制造研究的重点主要包括:增材新材料尤其是金属材料研究和开发;国产增材建模,工艺设计,工艺仿真软件应用与开发;核心设备如激光器,振镜系统等的研发和制造;打印效率提升,打印成本降低等技术解决方案研发;国内行业标准建立;工业界应用尤其是金属产品的实际应用;dfAM工业产品应用。"

关于仿真技术可以应用于增材制造工艺的哪些环节?

"通过梳理增材制造工艺的研发完整流程,仿真技术可以应用到设计、验证、工艺模拟、后处理仿真模拟、产品性能虚拟试验、运营与维修仿真分析的环节。"

关于增材制造未来的发展趋势

"我认为主要有四个方面,一是以增材思维为核心的dfAM在工业界的应用;二是更多金属合金开发;三是体素结构设计和打印;四是AI,大数据在增材制造中的深度应用。"

增材制造工艺仿真的价值

增材制造工艺仿真解决方案集锦

ANSYS

ANSYS增材制造工艺仿真解决方案

ANSYS增材制造工艺仿真套件提供了从结构设计到打印工艺的完整解决方案。包括拓扑优化、部件验证、打印设置、工艺过程仿真、支撑生成、打印失败预防、微观结构预测等,帮助用户完成增材制造工艺设计而无需昂贵而耗时的试错过程。

Autodesk

Autodesk增材制造解决方案

Autodesk Netfabb是一款为增材制造打造的专业解决方案,致力于帮助用户实现端到端的工作流。该软件不仅提供高效的构建准备功能,有助于减少准备时间和物料消耗,其中包含的设计优化工具还能根据零件的载荷和约束对零件的硬度和重量进行优化,为实现轻量化设计铺平道路。

MSC

MSC增材制造解决方案

Simufact系列产品是MSC软件公司用于金属工艺制造领域的仿真分析旗舰产品,包括Simufact Additive、Simufact Welding等。MSC拥有对增材制造工艺进行建模需要的各种仿真能力,以应对热源形态、流体流动、微观结构相变、残余应力,以及变形、优化形态等。

Altair

Altair增材制造解决方案

Altair的优化技术能够生成具有有机外观的高效形状,非常适合高级制造方法。耦合增材制造(AM)和拓扑优化极大地提升了设计的自由度和创造力,能够打造出最佳设计。在结构性能方面,为充分利用增材制造的优势,挖掘此方法在轻量化和性能方面的所有潜力,Altair提供多种方法。

PTC

PTC增材制造解决方案

PTC Creo中的增材制造解决方案,坚持所见即打印结果,从最初的概念一直到打印,皆可在Creo中实现。用户利用Creo,可以设计、优化、验证和打印检查只能通过增材制造生成的高度复杂的几何。该解决方案的主要优点包括晶格创建和互联打印机支持等。

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