增材制造过程工艺模拟立项报告

精选文档精选文档PAGEPAGE12精选文档PAGE要点技术：增材制造过程工艺模拟激光增材制造技术（俗称激光3D打印）是交融了激光、计算机软件、资料、机械、控制等多学科知识的系统性、综合性技术。采纳失散化手段逐点或逐层“积聚”成型原理，依据零件的CAD模型进行切片分层办理，采纳数控系统控制工作台依据分层软件设定的路径进行扫描，经过激光融化金属粉末层层叠加获取近净成形零件，增材制造技术完全改变了传统金属零件，特别是高性能难加工、构型复杂等金属零件的加工模式。增材制造是结共计算机辅助 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 来生产制造三维物体的过程。在增材制造过程中，物体的创立是经过连续铺设资料层直至创立出整个物体来实现的。图1说了然典型的增材制造工作流程。第1步到第7步展现的是物体从设计直至生产的整个工作流程。图1： 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 增材制造工作流程从历史上看，传统或惯例的制造 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 主若是利用消减工艺将各种形式的基础原资料转变成成品。这些技术采纳沿用已久的设计/加工方法、工具、设备（比方锻造车间、车床、CNC等）、生产活动及步骤。增材制造（AM）是惯例制造方法的伟大改革。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展现了这两各种类的制造工艺。图2.传统制造图3.增材制造（激光送粉）图4.增材制造（激光铺粉）澳大利亚联邦科学与工业研究组织的将来制造技术主管SweeMak博士在2014年6月4日的Hunter研究基金会会议上展现了图5。他总结道：“与对一整块成品资料进行加工以制造出产品的传统消减制造方法对比，增材制造方法不单速度快、能耗低，并且减少了废料。”图5增材与消减制造比较全世界增材制造市场包含3D打印机、资料及服务供应商。到2020年，整个市场（不包含资料）的价值有望达到114亿美元；2016至2020年间，估计年增添率为21.0%。图6（a）和图6（b）列出了全世界增材制造市场最近几年的发展及主要行业的市场占有率。图6（a）：全世界主要增材制造市场图6（b）：采纳增材制造技术的行业二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类型工艺（即“增材制造”）的需求。2016年3月3日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的SHIPTECH2016会议中，ConcurrentTechnologies企业的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。优势挑战1.制造复杂零件1.资料研发，数据累积滞后2.产品多样化，不增添成本2.功率源开发滞后；3.生产周期短3.质量的一致性，打印机的稳固性4.零技术制造4.最后形状的变形控制5.不占空间，便携制造5.凝结组织，内部缺点质量控制6.节约资料6.晶粒尺寸，晶粒形态和取向的控制表1：增材制造工艺的优势/挑战1）要点技术的难点过去25年间，增材制造技术日新月异。但是，与资料、设备、机器变化及应用等相关的技术难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 向来是生产优良零件的主要考虑要素。/工艺图7增材制造从设计到生产阶段的各种挑战从设计到生产阶段的各种挑战来自资料特征、工艺条件的不确立性以及打印机/工艺/资料特征的相关性等多个方面：资料特征：当前，3D打印生产厂家还未拥有完好的资料属性数据库。行业没法实现整体迁徙来供应完好的制造解决方案，除非可以记录并保留可用资料的资料属性数据，并进一步研究、记录选定零件的“增材制造”资料能力（比方与成立方向、拉伸强度、折服强度、环境考虑、断裂韧度等相关的资料属性）供应给全部厂家。假如不可以获取3D打印零件的资料属性，工程师和设计人员就没法将增材制造视为可行的制造方法。工艺条件的不确立性：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，以改进和增强早期的检验。优异的工艺控制可缩短机器歇工时间，这也是当前很多机器和工艺设计人员碰到的主要问题。打印机/工艺/资料特征的相关性：值得注意的是机器间以及零件间的可重复性。需要对零件布局（零件搁置以及成立角度均取决于打印机的能力）进行精调。需要经过进行一系列的“假设”研究和统计解析来估量与成立方向、速度等以及与资料强度的相关性，以便认识深层次的变化。大多数大中型欧、美国生产厂家都要日复一日地办理上述难题。他们所表达的一些关注点以下：增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优良产品？采纳增材制造技术是不是理智之举？我应该对物流/供应商提出哪些建议？什么是要点变量敏捷度矩阵？表面加工为什么会过于粗糙或过于精巧？粉末废品率为什么会这样之高？这些要点性的技术和众多挑战将是将来增材制造企业和相关研究机构需要要点解决和面对的。2）国内外进展和水平2.1）增材制造技术现状增材制造在航空航天行业遇到了宽泛的关注。各大企业对增材制造技术的研究和推行都做出了要点布局。空客成立了增材创新中心，并与高校、设备制造商进行亲近的联合研究。2012年空客在A380客舱里使用3D打印的行李架，这也是空客商务机初次使用3D打印的零件。空客企业生产的军用“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，并估计到2018年每个月将有30-35吨的增材制造零件被装在飞机上。波音企业开发出一种悬浮式3D打印技术，在没有任何实体打印平台的状况下，实现360度无死角操作，并于近期成功获批专利。波音企业已经利用3D打印技术制造了大体300种不一样的飞机零零件，包含将冷空气导入电子设备的导管等。估计到2018年波音的飞机会采纳超出20000个3D打印零件。GE特地成立了增材制造实验室，成功收买了生产商MORRIS企业，于2014完成传感器外壳设计、制造，2015年2月获取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8），并于2015实现批生产，2015生产了1000件，2020年估计可达年产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”号货运飞船前去国际空间站，以后再由国际空间站宇航员在例行出舱活动时期发射到预约轨道。该大学科学家以为，采纳3D打印技术制造外壳将使这种卫星变得更加低价和普及，进一步降低卫星开发的门槛。美国Aeromet企业利用激光3D打印技术制造出多个大型钛合金要点承力件，此中整体筋板增强钛合金发动机框的尺寸达到2.5m，重达130Kg，机翼拼接接优等已经在F22及F18E/F上获取批量使用。图8GELeap发动机燃料喷嘴图9西北工大制造的飞机主承力梁（长5米）`国内最近几年来增材制造的开发和研究也有了长足的进步。以北航的王华明教授，西北工大的黄卫东教授，华中科大的史玉升教授等为代表的大学，研究院在增材制造工艺和产品开发上获得了可喜的成就。北航的王华明教授于1995开始金属激光增材制造的研究，为国产C919，J15等供应航空结构件，此中包含航空发动机整体叶盘。2012年，依靠“大型复杂整体钛合金结构件激光成型制造技术及装备”获取国家技术发明奖一等奖。华中科大利用增材制造技术生产六缸发动机盖，7天内可以整体成型四气门六缸发动机缸盖砂芯。而采纳传统的砂型锻造试制方法需要5个月。华中科大还为空客和欧洲航天局制作飞机，卫星，航空发动机用大型复杂钛合金零件的锻造蜡模。其设备成型空间为1.2米x1.2米，达到激光烧结快速制造领域世界当先水平。正如王华明教授所说，3D打印不是泡沫也非“神器”。增材制做作为成熟的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之外，资料/功能源的开发滞后，各种金属资料最正确烧结参数的累积，凝结组织，内部缺点质量控制，及其无损检验要点技术，晶粒尺寸/晶粒形态趋势的控制，后续热办理工艺，变形控制等都是影响增材制造发展和完美的瓶颈。2.2）增材制造技术发展趋势增材制造的技术在设备的成本，效率，功能方面发展迅猛，正从塑料快速原形向金属零件；单一资料向多种资料和嵌入结构；单一增材制造向和切削加工的集成，应用范围较窄向打破规模/成本/材质限制的方向提高和进化。而在航空航天中的发展趋势表此刻非金属零件向金属，复合资料；功能结构件向次承力，主承力结构；结构件替代向结构的重新优化设计；单一性能资料向功能梯度资料；零件级制造向零件级制造，机器人智能制造等爆炸式发展，这对航天航空工业可能产生推翻性的影响。装饰件功能件次承力件主承力件资料塑料鋁/钛钛/钢/新资料钛/钢/新资料设计替代设计替代/优化优化优化制造快速/成本高快速/成本高难度大难度大适航判定无无/简单说明强迫强迫成熟度9653图10从塑料装饰件向结构主承力件发展图11.增材制造的产品比较金属增材制造对于少批量产品拥有减少模具成本，降低全寿命成本的优势，性能上与锻件相当或高于锻件，用来替代现有钛合金锻件，已经在航天、军机部门获取应用，但在民机领域还没有应用。还需在抛光，喷丸，等静压等后办理方法上打破，以提高增材制造产品的致密度和平均性从而提高产品的疲惫寿命。企业的增材制造的中心能力建设，将侧重优化设计能力，工艺研究能力，质量控制与适航判定能力（详见表2）。优化设计工艺研究质量控制/适航判定许用值确立：成立流程，累积数制备技术：拟定工艺参数，粉末质量保障，设备稳固据，成立生命周期各阶段的数据制备稳固/靠谱的零零件性保障库以及成立数据的相关性和可追溯性。拓扑优化：仿生学设计，培育工热办理技术：除掉产品的残零件性能保障，批生产过程师拓扑优化能力余应力，改进微观结构程与方式的质量与适航吻合性功能梯度资料结构设计：依据飞支撑资料移除：合理设计支高精度尺寸控制机不一样部位的需求，设计功能材撑零件和打印策略，控制产料结构。品变形一体化设计：减少零件量，降低机加工和表面办理：精加工，无损检测装置成本喷丸，抛光，提高疲惫性能表2.企业的增材制造能力建设2.3）增材制造的CAE仿真技术的现状与其余行业工艺的研究、设计、开发相同，在提高增材制造产品的质量一致性，追求“一次成功”来降低废品率，保证性能的靠谱性上真切超出惯例工艺方法等问题上，需要成立一整套生产标准，质量检测，安全论证的规范，以及快速提高企业的中心技术能力。而基于CAE技术的增材制造过程的仿真，以及增材制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行缺乏的辅助手段和强有力工具。增材制造是一种快速原形制造技术。依据零件形状，每次制作一个拥有必定细小厚度（μm）和特定形状的截面，而后经过激光把粉末融化，再经过冷却它们逐层粘结起来，获取所需制造的立体零件。当前通用的CAE软件不可以满足增材制造过程仿真解析的特别性和技术开发需求。增材制造的整个制造过程(粉末的融化和凝结以及积聚)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，甚至几周才能获取仿真结果，远远跟不上增材制造的设计开发进度，这将大大削弱增材制造自己的“快速原形制造”的优势。同时，增材制造产品的有限元网格需要严格地与CAD的逐层切片保持一致，这就给利用当前通用的网格区分工具进行建模带来了极大困难。需要指出的是,固然增材制造被以为是一种鬼斧神工的技术，几乎可以造出任何形状的物件，这给各CAE供应商开发的拓扑优化软件带来了很大的用武之地。但是,因为后续切削，抛光，喷丸等工艺的限制，增材制造的形状其实不可以真切做到想像的“为非作歹”。别的，成型过程不过增材制造的第一步，还需后续工艺，比方等静压，切削，热办理，表面办理来完美产品。当前急需可以覆盖整个工艺流程（图12），可以简洁建模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系统的成立以及加快企业相关中心能力的提高。图12增材制造专用CAE仿真软件覆盖的工艺流程3）本研究的创新点为成立、建设企业在增材制造领域的设计、制造、研发能力，进一步提高企业的市场竞争力，与国内外同行业中的当先企业接轨，企业有必需展开与增材制造工艺设计相关的研发能力建设。因为增材制造过程涉及好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校验，成本投入较大、研发周期较长。假如可以引进先进的、特地的CAE解析工具进行增材制造过程的虚假再现，在设计早期及时发现工艺设计相关的问题进行改正，从而减少废料和废品率；经过虚假环境进行各种工艺参数的优化设计、工艺方案的解析和比较，制造出高质量、满足使用和性能要求的3D打印产品，将对企业大幅降低研发成本和提高研发效率特别有利。所以，本研究对当前市场上已有的CAE解析工具进行综合全面的调研和试用，联合增材制造过程的各个环节，从产品设计拓扑优化增材制造过程虚假仿真热静等压办理切削表面办理等选择合用的CAE解析工具辅助进行工艺的优化设计和工艺参数的精选，推进后续研发和制造工作的顺利展开。作为易学、易用且满足工程精度的增材制造专用仿真解析软件，仿真技术需要打破以下几种技术和满足以下几种要求。因为当前的网格区分技术不适合正确描述增材制造所独有的切片模型和层层叠加的加工方法，需要推出一种对CAD进行自动切片,并具备对计算模型进行规则的，“无失败”网格(像素单元)的自动生成功能；可以自动读入打印机的工艺参数（打印方向，打印路径，热源量）以减少仿真条件设置的负荷；可以进行多尺度计算。对局部采纳精巧的微观（Microscopic）计算以正确地算出焊点四周的温度变化和应变；利用等效温度变化或等效应变对产品进行宏观（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小时以内（图15）；增材制造过程的仿真计算结果与其余后续工艺过程仿真可以有机联合和传达，保证热办理，静等压，切削，表面办理可以一呵而就地完成工艺链的仿真模拟；增材制造的仿真系统可以与增材制造的资料生命周期管理系统无缝连接，使其在许用值确立，粉末质量保障，制备稳固性保障，零件性能保障，批生产过程与方式的质量与适航吻合性保障发挥更大的作用。4）拟采纳的技术方法和门路经过先期对增材制造过程进行仿真解析的工具的调研发现，当前MSC企业最新研发的特地用于模拟金属资料增材制造过程的仿真解析软件Simufact.AM，完好可以满足企业当前的要求，Simufact.AM可以模拟基于铺粉方式的金属结构的增材制造过程。经过Simufact.AM不单可以虚假再现增材制造过程，展望增材制造过程中以及结束后结构的变形和最后形状、节余应力。并可以对微观结构进行金相组织转变、晶粒尺寸的计算，同时可以进行支持/支撑结构（地点、强度/刚度）的辅助优化设计，帮助展望能否存在不充分的支持以及结构发生裂痕的可能性。打印结束时的仿真结果—变形去除支撑后的仿真结果—变形图13Simufact.AM进行增材制造仿真解析的事例Simufact.AM供应了特地的前后办理工具用于进行增材制造仿真解析模型的建模和结果后办理，设计人员可以在友善的界面下方便、快速的进行仿真模型的建模和结果的提取。基于Simufact.AM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区分；它的求解器功能强壮，设计人员可以从不一样的层面依据计算速度要乞降模型复杂程度选择计算尺度。在设计早期，设计人员可以从宏观层面基于层积模型（固有应变）进行快速的建模和求解，从而进行工艺参数和打印策略合理性等的定性解析。在设计的中后期，设计人员还可以从微观层面出发进行完好的、高精度的瞬态热机耦合解析模型的建模和计算，获取更加正确的对最后形状、节余应力等的展望结果。计算:Max2.00mm试验:Max2.28mm计算时间：10Min（8cores）图14.利用像素网格快速建模图15.高效率的宏观计算结果经过Simufact.AM设计人员不单可以在工艺设计阶段虚假再现整个增材制造过程，展望结构的变形和最后形状、节余应力的分布，帮助检验当前所采纳的资料、打印策略能否满足设计和使用要求；Simufact.AM还可以依据产品结构自动计算和建议并成立支撑/支持结构，可以在进行物理试制从前及时地发现因为不适合的打印策略和工艺参数设置可能带来的产品的加工缺点等。为企业节约资料、场所等的成本投入和用于物理试制等的时间和人力成本的投入。图16采纳不一样的支撑/支持设计对应的仿真结果比较—变形与此同时，MSC企业另一个在金属加工成型仿真解析领域的主要产品Simufact.welding可以模拟基于送粉、送丝方式的金属资料激光3D打印过程。Simufact.welding可以虚假再现金属资料的激光3D打印过程，展望3D打印过程中以及打印结束后的结构的变形和最后形状、结构的节余应力，并可以对微观结构进行金相组织转变、晶粒尺寸的计算，同时可以进行支持/支撑结构（地点、强度/刚度）的辅助设计。3D打印仿真模型3D打印仿真结果—温度（打印第一层）3D打印仿真结果—温度桌面支撑（打印第n层）Baseplate3D打印仿真结果—变形baseplate分别后仿真结果—变形图17Simufact.welding3D打印仿真解析事例经过Simufact.welding设计人员不单可以在工艺设计阶段虚假再现整个3D打印过程，展望结构的变形/最后形状、节余应力的分布等，帮助检验当前所采纳的资料、打印策略、支撑/支持的设计能否满足设计要求，还可以在进行物理试制从前及时地发现因为不适合的打印策略可能带来的产品的加工缺点等。为企业节约资料、场所等的成本投入和用于物理试制等的时间和人力成本的投入。增材制造技术面对着从设计到生产阶段的众多挑战。零件厂家和当先的增材制造研究人员已将以下要素确立为造成增材制造产品设计及售后性能不好的一些要点指标。缺乏对增材制造过程的资料生命周期的管理；对影响资料性质的制造可变性所进行的研究不正确；打印机、工艺控制参数变化范围大，影响了增材制造零件的质量。MSC企业的资猜中心（MaterialCenter）是下一代的资料生命周期管理系统，已针对资料数据、工艺管理过程进行了优化，解决了增材制造生命周期阶段的“试验过分”及“试验不足”问题。这一现成的商业解决方案已应用了20多年（从前称为mVISION），它集方法原理、扎实的技术和先进的统计工具于一身，改良了增材制造零件和总成的最后质量。资料生命周期管理（MLM）是产品生命周期管理（PLM）的子集，在项目与信息项属性之间以及“试验从前”、实质试验周期及“试验以后”信息项自己之间供应了关系。所以它直接解决了复杂环境中的数据可追想性问题。这是因为系统为每个流程步骤保留了信息创立流程谱系。数据被储存为人和计算机均可解读的信息结构，由此可判断每个信息项的确切背景。图18举例说了然资料生命周期管理的各个生命周期阶段。图18.资料生命周期管理传统的资料生命周期管理系统没法解决增材制造工艺带来的难题。下一代资料生命周期管理系统特地针对这种状况进行架构的开发和实行，可解决增材制造过程中从设计到生产阶段的各种问题。高级的资料生命周期管理系统还可以将增材制造整合到实物和虚假试验以及CAE、PLM/PDM中。以以下举了其众多功能中的一部分。完好增材制造工作流程与审批手续整合；各个生命周期阶段时期的资料可追想性；实物/虚假制造及试验的增材制造机器的数据/过程管理；支持第三方软件及数据库开放接口的过程引擎；支持PDM/CAD/CAE/EAM/MES独立系统；源于/用于CAD和CAE解算器的导入/导出；企业实体范围内/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成立的一种企业级可扩展的下一代资料生命周期管理系统。基于网络的直观界面使工程部门可以对资料或零件/打印机/流程/增材制造行为进行虚假化。其集成框架可为指定部门向其余利益相关方供应精确的信息传输。此中包含金属/非金属/塑料的增材制造流程。可将该系统看作制造属性/机器以及流程判定参数的资料库。AdditiveAdditiveProcessSimulationManufacturingShape/SizeDeformation,Residualstress,Cutting,Heattreatment,SimulationOptimizationHotIsostaticpressure,Fatigue,CrackPropagation,etc.3DCADTopologySTLFileGCodeFileBuildAMCutting,heatMeasuring,DesignoptimizationGenerationGenerationPartstreatment,etc.testing,reportPDMMaterial,MachineParameter,TestDataManagement(TC,Windchill,Enovia)ProcessManagementStatisticalAnalysisQualityReportManagementMaterialCenterCustomerReportbacktorequirementCustomer图19.增材制造的资料生命周期管理系统它的内制模板可成立或导入资料/打印机/工艺/试验数据。该系统利用Excel集成来映照并导入用于增材制造及各种试验方法的定制模板。比方：增材制造电子束堆积；增材制造定向激光束堆积；增材制造粉末层交融（图20）；增材制造熔融堆积造型；各种拉伸试验（断裂韧度K1C）；各种硬度试验（夏氏冲击）。图20.粉末层熔融模板示例它能自动收集结果用于比较、置信度评估及认证——这些结果在资料生命周期管理系统中有完好的可追想性，将增材制造带入了新的高度。供应了全面的工作流程工具，可以收集从看法到最后成立阶段的每一步制造流程中的信息。经过内置的统计工具成立起资料生命周期各个阶段的数据之间的相关关系和可追想性,如图21（a）和图21（b）所示。大大提高企业的中心能力,累积大批的各个环节的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 和数据,健全企业的增材制造管理系统,从而保障产质量量的稳固性,工艺参数的一致性。图21(a)生命周期不一样阶段的数据相关性图21(b)技术规格与实测固化曲线的比较5）预期目标在过去25年间，增材制造已从快速样机办理成长为可以制冒昧承力零件，主承力零件的先进技术。为全世界愈来愈多的企业、政府机构所重视。但这种制造技术一直面对着各种难题和挑战。先进的CAE仿真技术以及资料生命周期的虚假管理系统，可以帮助企业提高增材制造的中心能力，拟定流程，累积数据，成立生命周期各阶段的数据库以及成立数据的相关性和可追想性。从而可以针对产品要求，拟定工艺参数，保证制备的稳固性以及零零件的质量靠谱性，减少零件量，降低装置成本，降低废品率，提高适航吻合性。本研究拟完成的最后目标是：模拟增材制造过程，算出制造结束后的最后变形及节余应力，为支撑结构设计，打印策略（速度，方向以及各种工艺参数），降低废品率，做到“一次成功”供应有效指导（图22）；经过对成型及后续工艺的仿真，观察资料的微观结构(金相,晶粒尺寸)，展望资料的机械特征(折服应力&极限强度)；并经过资料密度/均质性判断资料表面特征、粗糙度从而展望产品的裂纹的发生和扩展以及产品的疲惫寿命；图22(a)因为支撑不足产品出现很大的变形（>3mm)图22（b）合理的支撑设计控制变形(<1mm)与增材制造的资料生命周期管理系统无缝连接，使其在许用值确立，粉末质量保障，制备稳固性保障，零件性能保障，批生产过程与方式的质量与适航吻合性保障发挥更大的作用。