【干貨】ANSYS增材制造的變形補償

ANSYS exaSIM™ 是一系列金屬增材制造（AM）仿真工具，有助于深入了解關(guān)于激光粉末熔融的復雜物理現(xiàn)象。exaSIM 能針對殘余應力、變形和構(gòu)造失敗生成實用的解決方案，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)部件容差，避免構(gòu)造失敗，同時盡可能減少試錯試驗和應力消除熱處理。STL 文件能自動進行變形補償，以抵消部件生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的變形。

本案例研究展示了如何使用 exaSIM 變形補償功能，根據(jù)制造過程中預測的應變對部件的 STL 文件進行反向變形。當使用補償后的 STL 文件生產(chǎn)部件時，在構(gòu)建過程中部件會逐步變形成正確的形狀。

精確的基于路徑的關(guān)鍵路徑時序
當采用激光熔融金屬粉末時，收縮應變會隨著每個位置的熔融和冷卻而積累。這些應變會產(chǎn)生應力，使部件變形與預期的形狀背離。變形的大小取決于幾何結(jié)構(gòu)、過程參數(shù)和材料。exaSIM 能仿真構(gòu)建過程，利用逐層應變的積累來預測變形。此信息可用來評估特定的幾何結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)如何影響組件的最終形狀。

自行車立管實例
GRM Consulting和BCIT提供了一種拓撲優(yōu)化的自行車組件：
Renishaw 在 AM250 系統(tǒng)上使用鈷鉻合金構(gòu)建了該部件。仿真顯示，減震架在從襯底上移除之后存在顯著的變形。一共構(gòu)建了兩個部件（一個有進行補償，一個沒有進行補償），以測試 exaSIM 的預測功能和變形補償工具。

仿真和構(gòu)建細節(jié)
研究人員利用exaSIM Advanced 和 Ultimate 中的各向異性掃描模式應變功能預測變形。構(gòu)建參數(shù)和仿真假設(shè)如下表中所示。執(zhí)行第一次仿真時，為機器 / 材料/過程參數(shù)組合確定合適的應變比例因子（SSF）。第二次使用校準后的應變比例因子執(zhí)行仿真，以測試變形補償功能的精確度。

仿真調(diào)整
為了調(diào)整 SSF，將圖 2 中的未補償部件與圖 3 中的第一次仿真結(jié)果進行比較。在部件與仿真之間比較所有圓的最佳擬合直徑和中心位置。研究人員找到能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果與底板上構(gòu)建部件的絕對差總和降到最小的比例因子，以此確定 SSF 的值為2.34。第二次仿真時，為了更準確預測從底板上移除之后的變形，研究人員選擇了塑性變形（J2）。對于該幾何結(jié)構(gòu)，當變形補償因子（DCF）是 1 時，截斷后的幾何結(jié)構(gòu)與目標形狀非常接近。將 exaSIM 創(chuàng)建的 STL 文件（DCF 為 1）用作最終構(gòu)建時的輸入幾何結(jié)構(gòu)。

結(jié)果
如圖 3 所示，截斷后的第一次仿真結(jié)果預測減震架處（外圓）的變形最嚴重。exaSIM 預測使 DCF 為 1 可以糾正此變形。如圖 4 所示，這些預測都十分準確。在通過變形補償文件獲得的幾何結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建的減震架沒有變形；而如果使用初始幾何結(jié)構(gòu)作為輸入來構(gòu)建部件，減震架與預期的幾何結(jié)構(gòu)之間存在顯著變形。這些結(jié)果表明，在從襯底移除后可利用變形補償實現(xiàn)精確的部件，無需進行熱處理。

結(jié)論
此案例研究展示了 exaSIM 變形補償工具的優(yōu)勢。設(shè)計人員和 AM 機械操作人員可利用激光粉末熔融增材制造技術(shù)制造完美的部件，而且在將部件從底板上移除之前無需采用昂貴的熱處理和應力消除工藝。按照本案例研究中介紹的過程，exaSIM 用戶可針對具體的機械 / 材料 / 過程參數(shù)組合來調(diào)整 SSF 并準確預測部件變形效果，無需額外進行試錯試驗，從而節(jié)省時間和成本。

來源：技術(shù)鄰CAE學院