借助仿线D打印技术将彻底改变零件的设计流程

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小编:仿真专业职员能够将模子封装成简明易用的仿真 App,以此来消弭两个团队之间的交换停滞。设想工程师无需打仗庞大的底层仿真模子,也能在操纵界面中运转测试。这大幅简化了对新整

  仿真专业职员能够将模子封装成简明易用的仿真 App,以此来消弭两个团队之间的交换停滞。设想工程师无需打仗庞大的底层仿真模子,也能在操纵界面中运转测试。这大幅简化了对新整机机能的评估历程,设想工程师如今无需乞助仿真专业职员,也能便利地对参数举行调解。

  图1. 左:扭曲整机的示例。因为具有残存应力,飞机叶轮的叶片曾经产生翘曲。赤色轮廓现扭曲相对较大的地区。右:颠末扭曲调解后的终极叶轮设想。

  然而这种工艺有一个错误谬误:当金属冷却时,质料大概会在淤积了数层之后产生变形。较大的温度梯度和倏地冷却惹起的热轮回会在淤积历程中发生残存应力。这会形成微观布局产生迟钝的变革,进而导致整机产生变形,如图 1(左)所示。

  位于英国考文垂的制作手艺中央(Manufacturing Technology Centre,简称MTC)恒久努力于研究增材制作手艺,为航空航天财产的整机制作商供给设想和物理样机。此中一种常用的增材制作工艺叫做激岁月粉体熔化成型(laser powder bed fusion),这项手艺操纵数十微米厚的粉末层,通过激岁月逐层建立出整机。3D 打印体系会根据预界说的打印路径,制作出拥有极小多少细节的整机。

  增材制作又称 3D 打印,比年来成长迅猛。它是一种新奇且远景广漠的制程工艺,不但有益于削减质料华侈,更主要的是能够天生保守工艺无奈加工的外形。

  Lazaro Toralles 认可,开初他们向其他部分先容仿真 App 时,良多人持思疑立场。“咱们不得不积极夺取他们的信赖。但当他们看到模子能连续稳固地输出靠得住的成果后,最终熟悉到了仿真的代价。仿真 App 中包罗各类功效:它能够出现打印的多少切面图、轮廓现网格、指导工程师施行扭曲阐发,并供给反馈息。”仿真事情如今曾经成为 MTC 事情流程中不成或缺的一部门,大幅提拔了物理建模团队和设想团队之间的相同服从。这一新的方法完全改变了整机的设想流程。

  设想团队奇妙地从现实偏差出发举行逆向处置,间接在设想中还原了偏差。操纵此要领,设想团队能够基于猜测模子找到偏差最小的外形,愈加灵敏高效地在划定的容差范畴内制作整机(图 1 右)。

  固然,在与整机的设想工程师分享 仿真 App 之前,设想团队起首必要建立高精度的仿真模子。

  若何建立一个可针对恣意范例的金属举行外形猜测的仿真模子?实现的要领有良多。Lazaro Toralles 和其研究团队起首界说了一个全新的建模流程,可用于猜测大型整机的终极外形,随后他们建立了一个仿真模子,能为设想工程师供给调解设想所需的消息。

  该仿线)是操纵 COMSOL Multiphysics 中的“App 开辟器”建立的,能够针对指定整机(本例为飞机叶轮)轮廓现其终极外形、变形和应力程度的仿线. 借助 MTC 开辟的仿真 App,用户无需相识底层多物理场模子,便能够在仿真中调解设想并测试点窜。

  Lazaro Toralles 弥补说:“咱们本人(仿真团队)也常常利用仿真 App,比拟于原始模子,在 App 中点窜输入参数愈加便利。因为设想团队无奈自力运转仿真,以是 App 现实上是特地为他们开辟的,如许设想工程师就能导入整机模子,并猜测整机在打印历程中的变形环境。”

  在设想周密整机时,设想职员面对的一项艰难的挑衅是,若何在包管设想的产物可以或许实现倏地批量出产的同时,使其合适极其严酷的行业尺度。以飞机策动机的燃油喷射器为例,只要高周密整机才气包管飞机的一般事情,让搭客安心地把本身宁静交给航空公司。为了实现这一方针,工程师们不但要优化特定的部件,还必要优化部件的制作工艺。

  借助仿真阐发猜测出某个整机中的偏差后,若何以清楚简明的方法将消息通报给设想团队,这是仿真专业职员面临的另一个挑衅。很多公司将建模团队分别成设想和仿真两个营业组,各组内的职员能够阐扬其本身手艺上风。然而这种做法会让部件的设想和阐发之间缺乏有用相同。

  借助 COMSOL Multiphysics 中的“App 开辟器”,Lazaro Toralles 可以或许彻底掌控App 用户能够拜候的内容。跟着仿真 App 按照公司的需求而不竭革新,每一项输出和轮廓现内容都是颠末频频推敲才插手到 App 中,此中部门输入和设置被锁定,这是为了幸免 App 用户因不测操纵而形成错误。别的,固然底层模子的设置一直对用户隐蔽,可是仿真本领却在不竭地流传。

  设想团队借助 COMSOL 软件中的布局力学功效,通过剖析温度场对线弹性子料举行了界说,此类质料的塑性和热膨胀特征会随温度产生变革。该App还能主动施行多个CAD操纵,为“集总”层天生多少、图形。

  思量到利用集总质料层建模无奈模仿出实在的东西路径,于是仿真天生了一个栅格来举行近似轮廓现。温度场被施加在栅格点上,随后软件盘算出了淤积历程中发生的应力,并对整机的终极外形举行了猜测(图 2)。

  他报告我:“保守的增材制作模子很是精致,即即是微观布局,其精度也很是高。然而思量到盘算本钱,这些模子并分歧用于模仿大型整机的建立历程。固然模仿该历程必要泯灭大量时候,但咱们照旧必要相识整个整机在打印历程中的机能体现。为相识决耗时过长的题面貌,咱们将建立的打印层“集总”成了一个团体,并按照实行数据施加相识析温度场。通过这一方法,咱们在包管成果精确性的同时,收缩了求解时候。”

  为了验证增材制作整机的质量和机能,MTC 几年前便起头利用 COMSOL Multiphysics® 软件举行假造设想测试、模子验证和机能猜测。在已往几年间,他们起头基于 COMSOL 模子建立仿真 App,让分歧的团队可以或许通过 App 共享仿真阐发的强盛功效,满意客户的各种需求。

  别的,多物理场仿真还为 MTC 的增材制作设想团队供给了一个全新的相同协作方法。Lazaro Toralles 的团队将 COMSOL® 模子封装成了一个可用于猜测翘曲的仿真 App,同事们无需破费气力去相识原始模子,也能在 App 中运转仿真,检察必要点窜的设想要素。

  因为热轮回和微观布局的演变无奈被消弭,MTC 的团队筹算从另一个方历来处置这一题面貌。“咱们建立了一个可用于猜测整机建立历程中的应力和变形的仿真模子,借此来相识整机在打印历程中是若何变形的。”Lazaro Toralles 注释道,“只需控制了这些消息,咱们就能够抵消整机设想中的变形。这象征着咱们能事后掌控翘曲题面貌,将终极产物塑形成客户真正想要的外形。”

  早在仿真 App 开辟的初期,咱们就曾采访过 MTC 团队(约请参阅 2015 年度的《COMSOL News》第 5 页)。两年之后,让咱们来看看仿真和盘算 App 对MTC 的设想事情流程和部分间协作发生了如何的影响。

  设想团队利用各种 CAD 平台建立了大量庞大整机,因而 COMSOL 模子及相干仿真 App 的功效也必需充足强盛,才气满意利用需求。仿真 App 中包罗 CAD 导入功效,用户能够对恣意外形举行测试。这对付基于动物、植物、地形等拥有天然特性的外形(即所谓的无机状态)而言尤为主要,比方在Rhino等很多软件中绘制的图形即是云云。

  MTC 物理建模团队担任人Borja Lazaro Toralles 轮廓现,激岁月粉体熔化成型手艺具有其他制作工艺不具备的上风。它的淤积速度慢于金属淤积成形工艺,但其精度和辨别率更高。

  在某些环境下这些变形并不主要,然而对付有些使用而言,纵然是 100 微米(0.1 毫米)的差别,也会超出尺度规格的容许范畴,以致整机无奈利用。针对这些使用,MTC 团队必要想出一个能抵消热轮回影响的要领。

  从航空级钛合金到不锈钢,MTC 在事情历程中必要处置各品种型的金属,因而为了便利利用模子来测试拥有分歧外形、尺寸和质料的整机,他们使 COMSOL 模子中的参数能够调治,包含质料属性、集总层厚度、夹持在整机上的建立板,以及网格单位巨细等。

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