案例 l MTC藉助COMSOL仿真 App 優化 3D 列印技術

在設計精密零件時,設計人員面臨的一項艱鉅的挑戰是,如何在保證設計的產品能夠實現快速批量生產的同時,使其符合極其嚴格的行業標準。以飛機發動機的燃油噴射器為例,只有高精密零件才能保證飛機的正常工作,讓乘客放心地把自身安全交給航空公司。為了實現這一目標,工程師們不僅要優化特定的部件,還需要優化部件的製造工藝。

位於英國考文垂的製造技術中心(Manufacturing Technology Centre,簡稱MTC)長期致力於研究增材製造技術,為航空航天產業的零件製造商提供設計和物理樣機。其中一種常用的工藝叫做選區激光熔融金屬增材製造技術,這項技術利用數十微米厚的粉末層,通過激光逐層構建出零件。3D 打印系統會按照預定義的打印路徑,製造出具有極小几何細節的零件。

為了驗證增材製造零件的質量和性能,MTC 幾年前便開始使用 COMSOL Multiphysics® 軟件進行虛擬設計測試、模型驗證和性能預測。在過去幾年間,他們開始基於 COMSOL 模型創建仿真 App,讓不同的團隊能夠通過 App 共享仿真分析的強大功能,滿足客戶的各類需求。

全新的零件設計方法

MTC 物理建模團隊負責人Borja Lazaro Toralles 表示,激光粉體熔化成型技術擁有其他製造工藝不具備的優勢。它的沉積速率慢於金屬沉積成形工藝,但其精度和分辨率更高。

然而這種工藝有一個缺點:當金屬冷卻時,材料可能會在沉積了數層之後發生變形。較大的溫度梯度和快速冷卻引起的熱循環會在沉積過程中產生殘餘應力。這會造成微觀結構發生緩慢的變化,進而導致零件發生變形,如圖 1(左)所示。

在某些情況下這些變形並不重要,然而對於有些應用而言,即使是 100 微米(0.1 毫米)的差異,也會超出標準規格的允許範圍,致使零件無法使用。針對這些應用,MTC 團隊需要想出一個能抵消熱循環影響的方法。

由於熱循環和微觀結構的演變無法被消除,MTC 的團隊打算從另一個方向來處理這一問題。MTC創建了一個可用於預測零件構建過程中的應力和變形的仿真模型,藉此來了解零件在打印過程中是如何變形的。只要掌握了這些信息,團隊就可以‘抵消’零件設計中的變形。這意味著MTC能預先掌控翹曲問題,將最終產品塑造成客戶真正想要的形狀。

設計團隊巧妙地從實際誤差出發進行逆向處理,直接在設計中還原了誤差。利用此方法,設計團隊可以基於預測模型找到誤差最小的形狀,更加靈活高效地在規定的容差範圍內製造零件。

案例 l MTC借助COMSOL仿真 App 优化 3D 打印技术

圖. 左:扭曲零件的示例。由於存在殘餘應力,飛機葉輪的葉片已經發生翹曲。紅色表示扭曲相對較大的區域。右:經過扭曲調整後的最終葉輪設計。

此外,多物理場仿真還為 MTC 的增材製造設計團隊提供了一個全新的溝通協作方式。Lazaro Toralles 的團隊將 COMSOL® 模型封裝成了一個可用於預測翹曲的仿真 App,同事們無需花費力氣去了解原始模型,也能在 App 中運行仿真,查看需要修改的設計因素。

當然,在與零件的設計工程師分享 仿真 App 之前,設計團隊首先需要創建高精度的仿真模型。

模擬各類複雜零件

如何創建一個可針對任意類型的金屬進行形狀預測的仿真模型?實現的方法有很多。MTC研究團隊首先定義了一個全新的建模流程,可用於預測大型零件的最終形狀,隨後他們創建了一個仿真模型,能為設計工程師提供調整設計所需的信息。

MTC研究團隊發現,用於增材製造模型通常非常精細,即便是微觀結構,其精度也非常高。然而考慮到計算成本,這些模型並不適用於模擬大型零件的構建過程。雖然模擬該過程需要耗費大量時間,但MTC研究團隊還是需要了解整個零件在打印過程中的性能表現。為了解決耗時過長的問題,MTC研究團隊將構建的打印層“集總”成了一個整體,並根據實驗數據施加了解析溫度場。通過這一方式,MTC研究團隊在保證結果準確性的同時,縮短了求解時間。

從航空級鈦合金到不鏽鋼,MTC 在工作過程中需要處理各種類型的金屬,因此為了方便使用模型來測試具有不同形狀、尺寸和材料的零件,他們使 COMSOL 模型中的參數可以調節,包括材料屬性、集總層厚度、夾持在零件上的構建板,以及網格單元大小等。

設計團隊藉助 COMSOL 軟件中的結構力學功能,通過解析溫度場對線彈性材料進行了定義,此類材料的塑性和熱膨脹特性會隨溫度發生變化。該App還能自動執行多個CAD操作,為“集總”層生成幾何、圖形。

考慮到使用集總材料層建模無法模擬出真實的工具路徑,於是仿真生成了一個柵格來進行近似表示。溫度場被施加在柵格點上,隨後軟件計算出了沉積過程中產生的應力,並對零件的最終形狀進行了預測。

分享預測能力

藉助仿真分析預測出某個零件中的誤差後,如何以清晰簡明的方式將信息傳遞給設計團隊,這是仿真專業人員面對的另一個挑戰。許多公司將建模團隊劃分成設計和仿真兩個業務組,各組內的人員可以發揮其自身技術優勢。然而這種做法會讓部件的設計和分析之間缺乏有效溝通。

仿真專業人員可以將模型封裝成簡明易用的仿真 App,以此來消除兩個團隊之間的交流障礙。設計工程師無需接觸複雜的底層仿真模型,也能在操作界面中運行測試。這大幅簡化了對新零件性能的評估過程,設計工程師現在無需求助仿真專業人員,也能方便地對參數進行調整。

設計團隊使用各類 CAD 平臺創建了大量複雜零件,因此 COMSOL 模型及相關仿真 App 的功能也必須足夠強大,才能滿足使用需求。仿真 App 中包含 CAD 導入功能,用戶可以對任意形狀進行測試。這對於基於植物、動物、地形等具有自然特徵的形狀(即所謂的有機形態)而言尤為重要,例如在Rhino等許多軟件中繪製的圖形便是如此。

該仿真 App是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 開發器”創建的,可以針對指定零件(本例為飛機葉輪)顯示其最終形狀、變形和應力水平的仿真結果。

藉助 COMSOL Multiphysics 中的“App 開發器”,MTC能夠完全掌控App 用戶可以訪問的內容。隨著仿真 App 根據公司的需求而不斷改進,每一項輸出和顯示內容都是經過反覆斟酌才加入到 App 中,其中部分輸入和設置被鎖定,這是為了避免 App 用戶因意外操作而造成錯誤。此外,雖然底層模型的設置始終對用戶隱藏,但是仿真能力卻在不斷地傳播。

鞏固新型協作方式

COMSOL Server™ 產品支持對仿真 App 進行分發、管理和運行。Lazaro Toralles通過該產品對仿真 App 進行了部署,擁有訪問權限的同事可以在整個企業內部隨時訪問 App。

仿真徹底改變了 MTC 團隊的協作方式。現在,他們已經建立了一個新的協作流程,設計人員和仿真工程師可以通過高效的溝通來簡化對設計的測試及修改過程,並最終按客戶的需求進行大規模生產。

仿真 App 中包含各種功能:它可以呈現打印的幾何切面圖、顯示網格、引導工程師執行扭曲分析,並提供反饋息。仿真工作現在已經成為 MTC 工作流程中不可或缺的一部分,大幅提升了物理建模團隊和設計團隊之間的溝通效率。這一新的方式徹底改變了零件的設計流程。

3D科學谷Review

金屬3D打印的仿真,涉及到粉末材料在激光熔融過程中的行為預測,以及不同的材料性能對產品的影響。

當然,除了材料的特性,當前不同的增材製造設備其細節上的工藝也有不少差異,建模和仿真的挑戰是捕捉來自特定製造商的獨特性。從質量和認證的角度來看,仿真軟件需要配合不同的設備基於物理的可量化的機器參數,建立數據檔案。其他的因素,包括粉末後處理變異影響增材製造結果的性能亦需要考慮進來。

這帶來了仿真的複雜性。相對來說實現增材製造建模需要達到的幾何形狀是比較簡單的,難度在於實現那些尤其是航空航天領域非常嚴格的性能標準,包括強度和疲勞性能。

仿真軟件自身也需要不斷地優化,這需要聯合整個增材製造生態系統,仿真軟件需要與機器製造商合作,以獲得設備的物理參數權利;需要與材料供應商合作,以保證材料科學指標是正確的;需要與測試專家合作,以確保正在測試的零件是正確的;需要和與用戶合作,以確保得到更多的預測結果與實際效果之間匹配的權利。根據所有的材料、設備和產品的關鍵信息,預測如何改變材料,機器和建模。仿真最終的目標是為了使人們不需要交“學費”,將設備當成試驗品,仿真的目的是不浪費時間和金錢,避免錯誤發生。

總體來說,專門針對於增材製造的仿真軟件是個新領域,在這種方式中,仿真將是管理預期的一種手段,在上機之前告訴製造商什麼是可以做的,包括支撐結構的設置,怎樣做是優化的結果。可以說,仿真產生的洞察和理解,減少了製造商的痛苦和不可預知的故障。

根據3D科學谷的市場觀察,除了文中提到的COMSOL軟件,為了解決許多與金屬3D打印相關的常見問題,包括應力變形、裂紋、表面質量差、密度不足等問題,市場上比較常見的包括ANSYS旗下的3DSIM,德國創業公司Additive Works開發的基於仿真的金屬增材製造預處理軟件Amphyon等。

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