增材制造过程工艺模拟-立项报告

1、1.增材制造过程工艺模拟3DCAD复杂等金属零件的加工模式。增材制造是结合计算机辅助设计来生产制造三维物体的过程。在增材制造 1 1 步到第 7 步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程。图从历史上看，传统或常规的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的基如铸造车间、车床、CNC 法的伟大变革。增材制造以3D 打印而广为人知，是一种现代制造技术。图2-图4展示了这两种类型的制造工艺。图2.图3.图澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造技术主管 Swee Mak 博士在2014 年 6 月 4 日的 Hunter 研究基金会会议上展示了图 图5全球增材制造市场包括 3D 打印机、材料及服务提供

2、商。到 2020 年，整个市场（不包括材料）的价值有望达到114 至 2020 年间，预计年增长率为 %。图要行业的市场占有率。图图求。2016 年 3 月 3 日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的 SHIPTECH 2016会议中，ConcurrentTechnologies 公司的 KennethSabo 介绍了增材制造工艺的优势与挑战。表 1 给出了增材制造工艺的优势/挑战概览。 表图7打印生产厂家还未拥有完整的材料属性数据库。行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案，除非可以记录并保存可用材料的材料属性数据，并进一步研究、记录选定部件的“增材制造”材料能力（例如与构建方位、拉伸强度

3、、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等有关的材料属性）提供给所有厂家。如果不能得到3D打印部件的材料属性，工程师和设计人员就无法将增材制造视为可行的制造方法。工艺条件的不确定性：现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性。有时粉末会出现高达 85% 的废品率。需要开发出创新的方法，以改进和加强早期的检验。良好的工艺控制可缩短机器停工时间，这也是当前许多机器和工艺设计人员遇到的主要问题。1.增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？2.采用增材制造技术是否是明智之举？3.我应当对物流/供应商提出哪些建议？4.什么是关键变量灵敏度矩阵？5.表面加工为何会过于粗糙或过于精细？6.粉末废品率为何会如此之高

4、？这些关键性的技术和众多挑战将是未来增材制造企业和相关研究机构需要重点解决和面临的。2）国内外进展和水平）增材制造技术现状进行密切的联合研究。2012 年空客在 A380 客舱里使用 3D 打印的行李架，这也是空客商务机首次使用 3D 打印的部件。空客公司生产的军用“台风”战斗机，使用了 3D 打印的空调系统。空客还提出 2016 年是钛合金 3D 打印年，并预计到2018 年每月将有 30-35 吨的增材制造零件被装在飞机上。波音公司开发出一种悬浮式 3D 打印技术，在没有任何实体打印平台的情况下，实现 360 度无死角操作，并于近日成功获批专利。波音公司已经利用 3D 打印技术制造了大约

5、300 种不同的飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的导管等。预计到 2018 年波音的飞机会采用超出 20000 个 3D 专门成立了增材制造实验室，成功收购了生产商 MORRIS 公司，于 2014 完成传感器外壳设计、制造，2015 年 2 月获得 FFA 认证，第二周投入使用。GE 进一步推出了 3D 打印的燃油喷嘴（图 并于 2015 实现批生产，2015 生产了 1000 件，2020 年预计可达年产 40000 件。俄托木斯克理工大学 2016 年 3 月 31 日发射世界首颗外壳全由 3D 打印制造的立方体纳卫星。该卫星搭乘“进步 MC-2”号货运飞船前往国际空间站，之后再由用

6、 3D 打印技术制造外壳将使这类卫星变得更为廉价和普及，进一步降低卫星开发的门槛。美国 Aeromet 公司利用激光 3D 打印技术制造出多个大型钛合金关键承力件，其中整体筋板加强钛合金发动机框的尺寸达到，重达130Kg，机翼拼接接头等已经在 F22 及 F18E/F 上得到批量使用。图8 图9 5国内近年来增材制造的开发和研究也有了长足的进步。以北航的王华明教增材制造工艺和产品开发上取得了可喜的成果。北航的王华明教授于 1995 开始 发动机整体叶盘。2012 年，凭借“大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技 天内可以整体成型四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采用传统的砂型铸造试制方法需要 5 结

7、快速制造领域世界领先水平。 工艺方法要走的路还很长。增材制造除了不具备规模经济优势以外，材料/功能变形控制等都是影响增材制造发展和完善的瓶颈。）增材制造技术发展趋势集成，应用范围较窄向突破规模/成本/材质限制的方向提升和进化。航天航空工业可能产生颠覆性的影响。料料6无9图 10 从塑料装饰件向结构主承力件发展 图 11. 增材制造的产品对比53金属增材制造对于少批量产品具有减少模具成本，降低全寿命成本的优势，门得到应用，但在民机领域尚无应用。还需在抛光，喷丸，等静压等后处理方法上突破，以提高增材制造产品的致密度和均匀性进而提高产品的疲劳寿命。量控制与适航审定能力（详见表 工艺研究制备技术：制定

8、工艺参数， 粉末质量保障，设备稳定制备稳定/可靠的零部件 性保障热处理技术：消除产品的残 零件性能保障，批生产过余应力，改进微观结构一体化设计：减少零件量，降低装配成本 无损检测喷丸，抛光，提高疲劳性能表 ）增材制造的 CAE 仿真技术的现状性，追求“一次成功”来降低废品率，保证性能的可靠性上真正超过常规工艺方法等问题上，需要建立一整套生产标准，质量检测，安全论证的规范，以及快速 CAE 造的生命周期中各个阶段的数据信息化管理将是解决上述问题的不可缺少的辅助手段和强有力工具。微小厚度（m）和特定形状的截面，然后通过激光把粉末熔化，再通过冷却它 CAE 软件不能满足增材制造过程仿真分析的特殊性和

9、技术开发需求。增材制造的整个制造过程(粉末的熔化和凝固以及堆积 )需要考虑金属金相变化的热机耦合时域仿真。使用通用CAE 软件需要花数百个小时，甚至几周才能得到仿真结果，远远跟不上增材制造增材制造产品的有限元网格需要严格地与 CAD 目前通用的网格划分工具进行建模带来了极大困难。需要指出的是,虽然增材制造被认为是一种巧夺天工的技术，几乎可以造出任何形状的物品，这给各 CAE 成型过程只是增材制造的第一步，还需后续工艺，比如等静压，切削，热处理，表面处理来完善产品。目前急需能够覆盖整个工艺流程（图/快速计算的增材制造专用 CAE 仿真软件问世，以促进增材制造工艺体系的建立以及加速企业有关核心能力

10、的提高。图 3）本研究的创新点为建立、建设企业在增材制造领域的设计、制造、研发能力，进一步提高制造工艺设计相关的研发能力建设。由于增材制造过程涉及很多复杂的工艺参数和设备等的条件，国内外增材制造企业和相关研究机构主要基于实物物理试验的手段进行产品的工艺设计和 分析工艺方案的分析和对比，制造出高质量、满足使用和性能要求的 3 D 对企业大幅降低研发成本和提高研发效率非常有益。因此，本研究对目前市场上已有的 CAE 分析工具进行综合全面的调研和试真?热静等压处理?切削?表面处理等选择适用的 CAE 分析工具辅助进行工艺的优化设计和工艺参数的优选，推动后续研发和制造工作的顺利开展。作为易学、易用且满

11、足工程精度的增材制造专用仿真分析软件，仿真技术需要突破以下几种技术和满足以下几种要求。1. 由于目前的网格划分技术不适合准确描述增材制造所特有的切片模型和 CAD 进行自动切片, 并具备对计2.能够自动读入打印机的工艺参数（打印方向，打印路径，热源量）以减轻仿真条件设置的负荷；3.产品进行宏观（Macroscopic）计算以求计算效率的提高，使用多核并行计算的时间控制在1-2小时之内（图4.增材制造过程的仿真计算结果与其它后续工艺过程仿真能够有机结合和传递，保证热处理，静等压，切削，表面处理能够一气呵成地完成工艺链的仿真模拟；5.增材制造的仿真系统能够与增材制造的材料生命周期管理系统无缝连接，

12、使其在许用值确定，粉末质量保障，制备稳定性保障，零件性能保障，批生产过程与方式的质量与适航符合性保障发挥更大的作用。4）拟采取的技术方法和途径经过前期对增材制造过程进行仿真分析的工具的调研发现，目前MSC公司企业目前的要求，可以模拟基于铺粉方式的金属结构的增材制造过程。通过Simufact. AM 不仅可以虚拟再现增材制造过程，预测增材制造过程中以及结束计，帮助预测是否存在不充分的支持以及结构发生裂缝的可能性。图13提供了专门的前后处理工具用于进行增材制造仿真分析模型的建模和结果的提取。基于的像素网格技术设计人员可以快速的进行任何复杂结构的网格划的预测结果。图图通过设计人员不仅可以在工艺设计阶

13、段虚拟再现整个增材制造过程，预测略是否满足设计和使用要求；还能够根据产品结构自动计算和建议并建立支撑/于物理试制等的时间和人力成本的投入。图16公司另一个在金属加工成型仿真分析领域的主要产品可以模拟基于送粉、送丝方式的金属材料激光3D打印过程。可以虚拟再现金属材料的激光3D3D打印过程中以及打印结束后的结构的变形和最终形状、可以进行支持/支撑结构（位置、强度/刚度）的辅助设计。图 通过设计人员不仅可以在工艺设计阶段虚拟再现整个3D构的变形/最终形状、残余应力的分布等，帮助检验当前所采用的材料、打印策略、支撑/支持的设计是否满足设计要求，还能够在进行物理试制之前及时地发等的成本投入和用于物理试制

14、等的时间和人力成本的投入。增材制造技术面临着从设计到生产阶段的众多挑战。部件厂家和领先的增材制造研究人员已将以下因素确定为造成增材制造产品设计及售后性能不佳的一些关键指标。1.缺乏对增材制造过程的材料生命周期的管理；2.对影响材料性质的制造可变性所进行的研究不准确；3.打印机、工艺控制参数变化范围大，影响了增材制造部件的质量。MSC 公司的材料中心（MaterialCenter）是下一代的材料生命周期管理系的“试验过度”及“试验不足”问题。这一现成的商业解决方案已应用了20多 改善了增材制造部件和总成的最终质量。材料生命周期管理（MLM）是产品生命周期管理（PLM）的子集，在项目与 18 举例

15、说明了材料生命周期管理的各个生命周期阶段。传统的材料生命周期管理系统无法解决增材制造工艺带来的难题。下一代材制造整合到实物和虚拟试验以及 的一部分。1.完整增材制造工作流程与审批手续整合；2.各个生命周期阶段期间的材料可追溯性；3.实物/虚拟制造及试验的增材制造机器的数据/过程管理；4.支持第三方软件及数据库开放接口的过程引擎；5.支持 PDM/CAD/CAE/EAM/MES 独立系统；6.源于/用于 CAD 和 CAE 解算器的导入/导出；7.公司实体范围内/外的安全及可控的数据交换。图19源自在宾夕法尼亚州立大学和美国陆军所进行的多年研究建立的一种能够对材料或部件/打印机/流程/增材制造行

16、为进行虚拟化。其集成框架可为指材制造流程。可将该系统当作制造属性/机器以及流程鉴定参数的资料库。图19.增材制造的材料生命周期管理系统它的内制模板可构建或导入材料 /打印机/工艺/试验数据。该系统利用Excel 集成来映射并导入用于增材制造及各种试验方法的定制模板。例如：1.增材制造电子束沉积；2.增材制造定向激光束沉积；3.增材制造粉末层融合（图4.增材制造熔融沉积造型；5.各种拉伸试验（断裂韧度 6.它能自动采集结果用于对比、置信度评估及认证这些结果在材料生命过内置的统计工具建立起材料生命周期各个阶段的数据之间的相关关系和可追溯性,如图 个环节的经验和数据, 健全企业的增材制造管理体系,从而保障产品质量的稳定性,工艺参数的一致性。 5）预期目标在过去 25 技术始终面临着各种难题和挑战。先进的CAE仿真技术以及材料生命周期的虚拟管理系统，能够帮助企业提率，提高适航符合性。本研究拟达成的最终目标是