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金屬積層製造模擬技術成效
 

【作者: Masha Petrova】   2018年02月09日 星期五

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積層製造(Additive Manufacturing, AM),也就是3D列印的技術運用層層堆積原料的方式,製作三維的零件。作為一種實際的製作技術,積層製造近年來已日益普及。要運用積層製造,必須先將數位資料檔案傳送給製作零組件的機台。積層製造原本被視為一種快速成型(rapid prototyping)技術,可以迅速製作多以塑膠為材質的原型,然後再以射出成型(injection molding)、鑄造、成型、接合等業界熟悉的方式生產。這些零件多用在人體工學、相容性、和功能測試方面,很少用來量產。


以金屬為基礎的積層製造流程在1990年代被開發出來,數家業者很快就推出雷射燒結(laser sintering)法,可直接列印3D金屬零件,成為多階段製造流程的替代方案。雷射燒結(laser sintering)是一種積層製造技術,以雷射作為獲得粉末(金屬或聚合物)的能源,自動將雷射瞄準3D模型立體定義的點,結合材料形成固體結構。


為什麼要用積層製造?

相較於傳統製造方式,金屬積層製造有幾個吸引業界的優勢:


1.積層製造可製作傳統方法無法創造的零件和結構,例如內部結構精細或有複雜有機型狀的零件。一個用積層製造製作的零件可以取代過往用多個零件組合的集合。因為積層製造能製作形狀更複雜的零件,我們可以設計和運用超越用傳統製程所能生產的更高性能的零件。


2.只要用積層製造機台和一些金屬粉末,就可能生產替換金屬零件,以往需要整個工廠和多個機台。這點對國防、航太、和生技產業特別有吸引力,應用範例包含在國外製作坦克的替換零件、其他星球上製作太空船替換零件,或在醫院製作人工膝蓋。


3.創造在積層製造未問世前還沒有的新奇材料。因為積層製造粉床需要將金屬粉末送入機台才能列印零件,積層製造在新材料屬性方面有極大的潛力。在金屬雷射粉床製程中,雷射會迅速掃描過表面。由於材料硬化的速度極快,會產生屬性有趣的全新微結構類型。事實上相較於傳統製造作業,積層製造使創造新型合金更方便。


4.可替換供應商已不再生產的磨損或故障零件。我們可利用積層流程加入新功能,帶來新的重製零組件(remanufacturing components)商機。


儘管金屬積層製造具有潛力,目前它也有不少缺點。比如說,製程很複雜,需要技術高超的機台操作員、對積層製造設計(DfAM)具有經驗的設計工程師、和價格可能高達數百萬美元,每年維修費用也要數萬美元的機台,而這還不包含原料費用。在使積層製造成為真正製程前,業者必須多次嘗試錯誤,才能成功列印優質零件。嘗試錯誤的額外成本使大多數業者負擔不起積層製造。


而積層製造模擬能夠用戶虛擬嘗試錯誤。執行一次模擬積層製造流程的成本遠低於列印實體金屬零件。模擬的速度不但更快,還能以多種故障模式檢視零件。


為什麼要模擬?

ANSYS提供的金屬積層製造解決方案能夠讓用戶模擬整個積層製造流程,在實際列印前就決定最佳機台、零件設定、和材料組態,大幅減少,甚至完全排除實體嘗試錯誤,用戶可將金屬積層製造研發成果快速轉變為成功的製造作業。


ANSYS新工具能模擬典型的金屬雷射粉床融合(PBF或L-PBF)流程,包含雷射掃描過機台內的粉末表面,融化粉末然後凝結。掃描完一層後,下一層粉末就接著疊放在該層上。上述流程不斷重複,直到整個零件製作完成。通常一個製作平台上會有多個零件同時製作。


因為從固體變成液體再從液體變回固體,以及機台的多種變數(如雷射速度、平台溫度、環境溫度等)和金屬粉末材質的變化,正確模擬積層流程是相當複雜的問題。


ANSYS採用拓樸最佳化技術的軟體解決方案,可以減少零件重量並將網格密度(lattice density)最佳化。但即使有了拓樸最佳化,列印優質零件依然需要嘗試錯誤。它無法考量積層製造流程的各種變數。此種限制讓ANSYS Additive Print和ANSYS Additive Suite解決方案發揮效用。


模擬的投資報酬率


圖1 : 使用金屬積層製造過程中產生的不良品。
圖1 : 使用金屬積層製造過程中產生的不良品。

客戶使用模擬能夠得到什麼樣的投資報酬率?圖1顯示一盒廢棄的零件就放在金屬積層製造機台旁邊,是很常見的景象。而事實上這不只是一堆廢棄零件,每個零件價值都高達數千美元。金屬積層製造機台每小時平均操作成本約100美元。製作一個零件可能需要10、20、甚至大型零件的80小時以上。所以,如果支撐結構故障、零件變形、或製作到最後零件破裂,數千美元的金錢和數星期的努力都會付諸東流。


每家機台製造商都有各自的掃描方式邏輯(scan pattern logic),用戶將零件匯入製作軟體,每家機台製造商的軟體分析零件的方式都有些不同。部分製造商甚至會根據放在製作平台上的零件類型,採取不同的分析方式。機台內的雷射會根據既定方式掃描零件,每家製造商的掃描方式邏輯都不一樣。掃描方式邏輯會導致雷射燒熔金屬粉末時遵循不同的掃描方式移動。


當製作零件時,不同的掃描方式會使每部機台有其獨一無二的熱歷程 (thermal history)。因此,就算零件、機台設定、機台型號都一樣,只要掃描方式不同,就會有獨一無二的熱歷程。這會導致零件的張力與應力不同,以及缺陷分布的差異(如孔洞)。不同的熱歷程也可能導致在零件幾何形狀和機台設定不變的前提下,每部機台仍有不同的微結構,因此機械屬性也有所差異。ANSYS積層工具因為能正確模擬融化池(melt pool) 層級的熱歷程,並考量到製作該零件會用到的所有掃描向量,所以可捕捉特定機台的差異。ANSYS工具的上述功能可適用於全尺寸零組件。


以ANSYS技術為基礎的熱模擬軟體(thermal solver)可讀取機台掃描向量,並預測每一層的真正熱歷程,並利用該資訊來預測張力和變形。這種強大功能讓ANSYS客戶將製程模擬的正確性最大化。


ANSYS針對積層製造機台操作員和負責積層製造製作零件的設計工程師所開發的獨立解決方案,方案特色包含容易使用(例如用戶訓練不到一天,就能操作工具並獲得有價值與意義的結果)、快速、功能也很強大,其模擬以製作檔案匯入或用戶定義掃描方式的精準掃描向量為基礎。


解決方案

ANSYS Additive Print

這是特別針對積層製造機台操作員和負責積層製造製作零件的設計工程師開發的獨立解決方案,特色包含容易使用(用戶訓練不到一天,就能操作工具並獲得有價值與意義的結果)、快速、功能也很強大。其模擬以製作檔案匯入或用戶定義掃描方式的精準掃描向量為基礎。


本解決方案包含ANSYS SpaceClaim,它讓用戶準備和整理幾何,並正確對準列印文件的方向。


工具預測能力:


●列印零件的最終形狀


●每一層的變形、形狀、和張力視覺化


●自動預測最適支撐架構


●變形補償STL檔案


●潛在Blade Crash指南


成效:


●減少或排除實體嘗試錯誤


●減少不確定性


●設計出可正確列印的幾何形狀


●加速生產


●產生更正確的報價


●減少雷射粉床融合製作失敗


ANSYS Additive Suite

擁有ANSYS Mechanical Enterprise的用戶可加購這套完整積層製造解決方案。內容包含:


- 拓樸最佳化 – 減輕重量與網格密度最佳化


- SpaceClaim - 製作CAD幾何、修復和整理零件的多面 (faceted)資料工具、以及創造網格


- 機械積層製造模擬 - ANSYS Mechanical內建功能之一,可預測積層製造製程造成的零件變形和應力,使用和傳統結構分析相同的環境,將彈性和模擬選項最大化


- Additive Print 為獨立產品,可預測零件形狀、變形和應力,自動預測最佳支撐結構和變形補償STL檔案,以利快速學習曲線和高度調整的M模擬介面


- Additive Science – 獨立應用,支援材料和最佳機台參數設計調查(見下列描述)


拓樸最佳化

讓用戶將零件形狀最佳化、維持足夠的剛性來承受其荷重,以大幅減輕重量。拓樸最佳化的零件多呈複雜形狀,這使得積層製造成為唯一能製作特定形狀的實際方式。


SpaceClaim

讓用戶使用積層製造機台介面需要的STL幾何格式。拓樸最佳化流程也會輸出STL。SpaceClaim工具讓用戶整理、修復、和直接在多面呈現(faceted presentation)上的作業。


ANSYS Additive Science

本應用可在Workbench上面或其他工具上執行,針對希望將機台和材料參數最佳化的金屬積層製造專家;以及開發新金屬粉末、金屬積層製造材料、和金屬規格的材料科學家;希望將機台設計最佳化的粉床機台製造商;以及任職於下列產業的冶金學家:航太、生技、和汽車原始設備製造商以及專業積層製造大型供應商。


工具屬性:


用戶決定特定機台/材料組合的最佳流程參數,以達到最高零件完整性、正確的微結構、和適當的屬性。


● 專屬數學演算法速度比其他有限元素分析解決方案快數十倍


● 模擬以精準掃描向量為基礎(後者來自製作檔案或使用者定義掃描方式)


● 自訂管理資料庫包含各種材質的非線性溫度相關熱物理屬性,這種和物理狀態有關的屬性對正確模擬積層製造製程十分重要


● 決定適當的機台/材料參數


● 控制微結構和材料屬性


● 減少零組件資格認證所需的實驗數目


● 比較預測的「正確」機台行為和感測器測得的「真正」機台行為,並依此建立流程認證程序


Mechanical Additive Print Simulation(MAPS)

此為ANSYS Mechanical內建功能之一,Mechanical Print讓熟悉Mechanical環境的客戶輕易運用工具設定和解決列印模擬問題,同時提供依照需求調整工作流程的大幅彈性。


成效:


● 讓客戶模擬熱機械製作程序,正確預測零件變形和應力


● 提供簡化製程參數輸入方式,定義積層製造製程


● 可使用非線性和溫度相關屬性(無固有應變假設)


● 讓用戶完全掌控製程設定,方便自訂


● 支援ANSYS高效能運算(HPC)產品的高效率HPC效能延伸


應用案例

英國的Croft Filters專門設計生產各種過濾器。他們是積層製造專家,多年來運用積層製造製造多種過濾器設計。Croft曾試圖製作一種新過濾器設計,但過程中一直出問題(圖2)。當製作圖片顯示的設計上環的時候,積層製造製程會產生大量負載,導致過濾器突出。突出代表過濾器無法裝進既定的位置。Croft公司的工程師為了解決過濾器變形問題,嘗試過多種設計選項。他們嘗試替設計加裝穩定鰭片(stabilizing fin)、添加不同的支撐結構、甚至把過濾器反過來,然而皆無法解決問題。列印出的零件還是會變形。


Croft最後決定採用ANSYS Additive Print來模擬並瞭解該公司列印程序。因為Additive Print針對積層製造設計師和機台操作員設計,Croft工程師只花1天就學會執行該工具。Additive Print內建自動變形補償功能,可根據軟體模擬自動修改STL檔案,反轉幾何變形效應,讓設計師印出已修正的幾何。相較於先前花費6個月卻毫無進展,Croft工程師利用Additive Print後,在1周內解決新過濾器設計問題並印出正確的零件。



圖2 : 以Additive Print模擬的Croft過濾器幾何形狀,以及顯示頂部嚴重變形的最終成品。(source:Croft)
圖2 : 以Additive Print模擬的Croft過濾器幾何形狀,以及顯示頂部嚴重變形的最終成品。(source:Croft)

模擬完整的積層製造工作流程


圖3 : ANSYS的積層製造工作流程解決方案 (source:ANSYS)
圖3 : ANSYS的積層製造工作流程解決方案 (source:ANSYS)

如圖3所示,ANSYS致力於提供完整的設計到列印(design-to-print)解決方案給客戶。例如設計師可用ANSYS拓樸最佳化工具降低零件重量。接著工程師、設計師、或機台操作員可使用ANSYS Additive Print或在Additive Suite下運作,模擬列印流程、自動產生以物理為基礎的支援措施,並決定最適合特定機台的組態,以便製作符合設計規格的高傳真度(fidelity)零件。產生以物理為基礎的支援措施代表可隨需要加入支援措施,確保製作成功,後端處理也更快。


圖4 : 以ANSYS Additive Science產生的微結構分析(source:ANSYS)
圖4 : 以ANSYS Additive Science產生的微結構分析(source:ANSYS)

Additive Suite之中的Additive Science讓冶金學家和工程師檢視零件各部位的微結構。在瞭解特定部位的微結構之後,就能針對機台組態和選用材料做出結論。


(本文作者Masha Petrova博士任職於ANSYS公司)


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