增材制造案例分享之变形补偿

发表时间:2018-08-10 作者: 佚名  来源: ANSYS
关键字:增材制造 变形补偿 exaSIM 
本技术简介介绍了英国沃灵顿的Croft Filters公司如何使exaSIM纠正“凸出”变形问题,并生成精确的部件。

  需要克服的挑战是什么?
 

  大部分采用金属激光粉末床AM的部件都会发生变形。即便是经验丰富的用户凭直觉也很难理解复杂部件在构建过程中会如何变形。在理解变形之后,设计人员仍然面临着校正变形的难题。ANSYS exaSIM可在制造过程中提供用于生产精确部件的补偿几何结构,从而解决变形问题。
 

  本技术简介介绍了英国沃灵顿的Croft Filters公司如何使exaSIM纠正“凸出”变形问题(参见图1),并生成精确的部件。
 

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  图1. Croft Filters生产的过滤器在本应为垂直壁面的地方显示有凸出部分。
 

  如何使用仿真克服挑战?
 

  Croft Filters专门创建定制的金属AM过滤器;但即便拥有多年的丰富经验,该公司在制作部分几何结构时仍会面临困难。图1所示的钻石过滤器就是高难度的几何结构之一。初始部件在网格到固体环过渡稍下方的网格部分有凸起。总体来说网格结构构建得十分精确,问题在于这个凸出部分属于制造异常还是制造过程中可预测的人为问题。
 

  经过分析后,exaSIM显示该几何结构存在可预测的行为。实际和预测的过滤器及其相对直径的对比情况如图3所示。部件变形的逐层动画以及无顶环的结构显示,在构建顶环之前网格部分的精确度非常高(参见图2)。顶环制造过程中的收缩力造成了网格中出现凸出部分。设计人员通过对反转部件进行仿真和构建,以查看凸出部分是否会在靠近反转结构上部分的网格中调换两端,从而进一步验证上述结论。仿真精确预测凸出部分在过滤器反转后会改变两端(参见图4)。
 

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  图2. 在添加顶环之前仿真和物理构建的图像均未显示凸出部分
 

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  图3. 初始几何结构的仿真结果与测量结果对比
 

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  图4. 仿真可精确预测,反转过滤器在靠近顶环下方的不同网格区域有凸出部分。
 

  设计人员使用exaSIM能够预测设计修改如何影响部件的精确度。设计修改既可在CAD中手动完成,也能使用exaSIM变形补偿工具实现。在使用exaSIM时,可以改变变形补偿的大小。变形补偿因子为1.0时得到的STL文件存在非常明显的反向变形(参见图5)。补偿因子为1.0时的STL文件预测的最终部件形状会有略微向内的变形,从而消除外凸部分。
 

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  图5. (左)在补偿因子为1.0 的条件下经过变形补偿的STL 文件。(右)在构建变形补偿几何结构后预测的最终形状。
 

  因为变形和应力积累高度取决于输入几何结构,使用1.0的变形补偿因子未必是最佳解决方案。在用户为两个或更多迭代使用较低补偿因子的迭代方法中,使用exaSIM能够简化工作。在图6所示的两个迭代中,每个的变形补偿因子为0.5,得到的部件极为接近最初预期的设计形状。
 

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  图6. 在因子为0.5 的条件下经过两次变形补偿迭代的仿真结果。
 

  用户能否创建经过补偿后没有凸出部分的部件?
 

  物理结构的结果显示,exaSIM可精确预测过滤器设计修改和构建方向的不同影响。使用exaSIM变形补偿功能,一次迭代就能创建完全没有外部凸出部分的部件(参见图7)。
 

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  图7. 因子为1.0的变形补偿文件的物理构建结果显示没有外部凸出部分以及近乎垂直的壁面。
 

  随着金属AM的快速发展,技能娴熟的AM设计人员和机器操作人员可谓供不应求。在使用exaSIM的情况下,即便是缺乏经验的设计人员和机器操作人员也能迅速预测变形造成的几何结构改变以及构建方向对关键特性精确度的影响。这样企业无需聘用拥有多年经验的设计人员/ 操作人员就能成功地制造部件。钻石过滤器给Croft Filters带来困扰已有数月之久。采用exaSIM,完成第一学年的工程学生就能生成成功的几何结构,这无疑提供了一条可行的途径,让企业能够轻松构建没有外部凸出部分的部件。
 

  结论
 

  Croft有一个构造的部件不符合设计意图。对设计进行多次手动迭代只实现了微小的改进。ANSYS exaSIM可精确预测部件变形并自动创建变形补偿文件。在制作经过补偿的部件后,外部凸出部分得以消除。从Croft Filters的实际案例中,我们可以窥见3DSIM用户如何能大幅节省高质量组件研发所需的时间与成本。

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