利用模拟应用程序对增材制造进行预测

工业技术研究所的工程师建立了一种仿真应用程序,可用于预测激光粉末融合的性能,添加剂制造过程。该应用程序在台湾创新空间的混合火箭发动机的3D印刷喷射器中节省了时间和金钱。


由Brianne克里斯托弗
2020年10月

台湾工业技术研究院(ITRI)为台湾创新空间(TiSPACE)提供3D打印原始设计制造(ODM)、再设计和仿真服务。工研院,3 d印刷过程为喷油器组件用于TiSPACE混合火箭发动机开始注意的乐观:激光融化和融合的第一层粉到构建板,重新涂蔓延在第一层下一层粉,和激光融化,融合层。构建一层又一层地继续,没有问题。突然,改写机卡住了。激光产生的热量在材料中产生温度梯度,导致材料层的变形,最终导致卡住的重覆机。整个过程终止。

工程师们又试了一次。这一次,构建完成了,但最终的结果是一个带有变形的注入器,使它无法使用。小组又试了第三次。和第四个。

工程师们意识到他们需要优化整个过程的参数,以确保成功的构建,但是尝试错误的方法会导致浪费时间、精力和成本……

直观且经济高效的添加剂制造过程

激光粉末床熔融是一种利用激光将粉末熔化熔化在一起的增材制造技术。LPBF也是一个包罗万象的术语,它描述了选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)和直接金属激光烧结(DMLS)等过程。在LPBF过程中,在构建平台上覆盖一层厚度约为30 ~ 50 μm的薄层材料。激光将模型的第一层熔化,然后用滚轮或重覆机将下一层粉末覆盖第一层。更多的粉末层被涂在上面并熔化,直到完整的部分或组件被建成。(在这一过程的变化中,用电子束代替激光,并且在真空中建造。)

LPBF使制造商能够制造复杂的形状,部分地分为激光的高分辨率。这种类型的另一个好处是从一个构建中的未使用粉末可以隆起到机器中并用于制造其他东西,这使得比废料的其他一些类型的制造工艺更具成本效益。由于这些益处,LPBF用于各种类型的制造,包括在航空航天,汽车和医疗产业中。它在牙科应用和珠宝制作中也很常见。

但是,LPBF伴随着自己的一系列挑战。对于一个,该过程涉及高度局部激光加热,这导致材料中的大热梯度。当零件打印时,该梯度可以在层中诱导残余的热应力和变形。如果这种残留变形过多,则可能导致机器的重新涂覆成堵塞,从而终止整个制造过程。如果机械堵塞并终止构建,则必须重新启动该过程,这些过程浪费了金钱和时间。另一个风险是,成品部分也可以变形,有时超出最终用户的可接受性限制。

使用LPBF制造火箭发动机部件

国际工研院研究LPBF工艺,努力平衡其成本和时间限制与精良的成品。乐动体育app无法登录研究人员是系统创新部、激光和加法制造技术中心(LAMC),工研院,包括工程师Wai-Kwuen Choong Tsung-Wen蔡,史蒂文•林和经理优化LPBF过程制造3 d打印(3 dp)注射器组件TiSPACE混合火箭发动机(图1)。3 dp TiSPACE喷射器设计的提高发动机的混合燃料的混合效率和利用fluid-dynamics-optimized设计。国际工研院利用增材制造(dfem)技术进一步改进了设计。正如Wai-Kwuen Choong所说,“复杂的内部流动通道和这部分的巩固组件特性使它成为LPBF技术的一个出色的演示。”

黑色金属3D打印喷射器组件。
图1所示。3DP注入器组件。

与LPBF相关的设计挑战对于制造喷射器时的考虑很重要。在该尺寸的一部分中,通常大约110mm×110mm×170mm,热应力的累积是不可避免的并且可以导致Z方向上的大变形,喷射器的轴向。这种变形可以 - 并且具有 - 导致撤回堵塞和系统终止。通过优化LPBF过程以避免变形,ITRI和TISPACE可以减少终止构建导致的浪费时间和成本。

预测机械建模的未来结果

通常,LPBF过程的结果是通过简化的经验规则和试错方法来预测的。45°法则就是一个例子,在增材制造领域,这是一个简单且普遍接受的法则,在这个法则中,设计应避免包含超过45°的悬挑角,否则它就不是3D打印的好选择。这是因为要打印的层会比下面的层突出得多,新层没有足够的结构支撑。这条规则不包括像3DP注入器这样复杂复杂的设计,所以反复试验会很快消耗制造项目的时间和成本。相反,ITRI使用模拟来预测制造零件的残余应力和变形(图2)。为此,他们求助于COMSOL Multiphysics®软件

3D印刷的注射器仿真的顶视图显示残余应力和变形在彩虹颜色桌子上。 俯视图
3D打印喷油器模拟侧视图显示了彩虹色表中的残余应力和变形。 侧面图
图2. 3DP注射器LPBF制造过程的仿真。

为了预测热梯度如何在注入器设计中引起应力和变形,该团队在初步模拟中采用了固有应变法。该方法最初用于快速预测焊接过程中的残余应力和变形,但也越来越多地用于解决金属增材制造问题。

球队使用了固体力学界面在结构力学模块中进行热机械分析。这样做,它们可以估计制造部件中的残余应力和变形。专门用于添加制造,激活功能在COMSOL®软件非常适合在LPBF中建模重复,层逐层添加和融合。它们还使用优化模块优化构建过程中组件的零件方向和支持结构。

将ITRI AMSIM应用程序介绍到制造工作流程

ITRI团队利用模拟成功地预测了LPBF工艺过程中的应力和变形结果,但仍然存在一个问题:部署LPBF工艺的AM系统制造工程师通常不熟悉模拟。雇佣一个模拟专家这样做只会增加项目的时间和成本。要做什么吗?

该团队创建了一个仿真应用程序(图3),具有直观的用户界面和专门的LPBF模型的输入和输出,命名为ITRI AMSim应用程序。应用程序可以从COMSOL Multiphysics现有的模型构建®使用内置的应用程序构建器。仿真应用程序使工艺工程师能够预测和评估优化制造工艺的构建特征。它包括STL文件、弹性或弹塑性模型(可通过非线性结构材料模块获得)的输入,以及选择是否启用切割过程模拟或移除基板。它还包括五种不同的粉末材料的选择,包括Ti 6Al-4V,一种钛合金;MP1, CoCrMo合金;PH1和316L不锈钢型号;AlSi10Mg,一种铝合金。该应用程序的输出是工艺工程师在地板上需要得到的结果,例如在建造阶段和切割后的位移和残余应力分布。

用于设计和分析3D打印喷射器的仿真应用的用户界面,具有特定设计的位移结果。
图3. ITRI AMSIM应用程序。

该应用程序的输入基于实验校准,研训所的团队通过不同的扫描策略来提取正确的固有应变向量。这个矢量,或这个矢量的分量,取决于粉末材料和激光参数,如激光功率,光束大小,扫描速度,舱口大小,等等。

该应用程序由COMSOL Compiler™编译为独立的可执行文件。编译的应用程序被分发到过程工程师,可以在没有COMSOL Multiphysics的情况下运行®或COMSOL Server™许可。事实上,国际工研院团队自行决定授权使用这款应用,并将其提供给目标用户,为期三个月的试用期。

当被问及在国际工研院和TiSPACE联合项目中使用模拟应用程序的好处时,Choong表示赞同,认为这有利于节省时间和金钱,并补充道,这“完全是成本问题”。

通过应用程序节省时间和成本

在构建和部署AMSim之前,TiSPACE的3DP注入器的构建通过反复试验的方法启动和终止了四次。每一次,这个过程都失败了,要么是重覆机卡住,要么是零件本身坏了。引入AMSim后,整个过程的测试时间减少了75%。该模拟应用程序使团队能够预测组件的高风险区域,并为设计添加更多支持,从而成功构建。运行物理AM过程来测试部分构建大约需要一周时间,而应用程序模拟需要不到一个小时。

计算这些试验的劳动力,机器和材料成本,运行模拟应用程序的成本进一步降低了成本,此时间为83.3%。

最后,在将模拟与真实制造过程的模拟比较时,获得3DP注射器的AM过程的结果所需的时间被呼吸减少99%。

应用程序增强的未来计划

ITRI团队计划对AMSim进行改进,AMSim已经经历了三次迭代,具有材料校准的新特性,以及检测重覆机干扰、模拟支撑结构等功能。他们希望添加更先进但用户友好的功能,应用程序将使它甚至更多的时间和成本效益比它已经是,进一步提高投资回报,入门级用户在AM行业缩短学习曲线。

有了ITRI AMSim应用程序,3D打印过程的准确预览和无故障生产正越来越接近现实。