ANSYS exaSIM™ 是一款預測性的仿真工具，能夠讓增材制造（AM）的用戶快速了解部件在構建過程中如何變形，無需進行多次物理構建的試錯迭代。簡言之，exaSIM能為用戶節(jié)省時間和金錢，同時制造出精確的部件。
需要克服的挑戰(zhàn)是什么？
當使用金屬粉末床增材制造過程（例如金屬激光燒結）生產部件時，在材料凝固和冷卻過程中部件內部會形成顯著的熱梯度。與熱制造工藝不同，AM組件相對來說更容易變形，但使用支撐結構進行固定的除外。AM部件的幾何結構十分復雜，而且逐層制造工藝之間存在不同熱機械效應的相互作用，因此設計人員和機械操作人員很難估計部件會在何處出現(xiàn)何種程度的、朝向哪個方向的變形。
在金屬AM行業(yè)，變形的負面影響是一種成本最高的構建“失敗”。通常是在后處理之后從精確度和容差方面確定部件不合格，后處理過程涵蓋熱處理、通過CNC銑床去除支撐件以及自動檢查。很多AM 用戶發(fā)現(xiàn)第一次迭代后的部件合格率不足50%，常常需要經過3到4次迭代之后才能制造完美的部件。在GE公司開展的一個項目中有一則美國制造的“成功案例”，據報道其最多需要15 次迭代才能制造出幾何結構精確并符合CAD模型的部件。這會導致廢棄件的成本最終高達數(shù)萬乃至數(shù)十萬美元。
這篇技術簡介介紹了使用金屬激光燒結技術生產的專有機翼部件（完整部件的詳細情況屬于保密信息）的仿真結果與測量結果對比情況。該部件是一種全尺寸航空航天組件，邊界框尺寸為230mmx180mmx50mm。
exaSIM的精確度能否足以解決挑戰(zhàn)？
為了從預測性仿真中實現(xiàn)適當?shù)耐顿Y回報（ROI），仿真結果必須足夠精確，以幫助制定最佳的解決方案。否則，仿真預測就不會比物理原型試錯法更節(jié)省時間或成本。以下結果展示了exaSIM預測結果如何提供足夠的精確度，以推動制定設計決策。
將幾何模型導入到3DSIM™，利用exaSIM UniformAssumed Strain仿真模式執(zhí)行仿真。針對更高保真度的仿真，如果有用來構建部件的掃描矢量，則可以執(zhí)行Pattern Based Strain或Thermal Strain仿真。在本例中，無法為3DSIM提供完整過程參數(shù)的詳細信息，因此使用Assumed Uniform Strain仿真。
一旦完成仿真，3DSIM就會評估合作伙伴提供的具體輪廓測量位置，從而對測量數(shù)據和預測數(shù)據進行對比。在每個圖像中，藍線為標稱（例如CAD文件）幾何結構，紅線顯示實際幾何結構。對于“測量的”圖像，紅線顯示已構建組件的CMM結果與標稱藍線的對比情況。對于“預測的”圖像，紅線顯示仿真結果與標稱藍線的對比情況。綠線是每個輪廓圖的容差區(qū)域。紅線大多處在綠線容差區(qū)域外，因此測量部件不合格。
圖2中的結果來自氣流處于橫向截斷方向的機翼后緣的輪廓。exaSIM預測結果準確捕捉到了變形的形狀和大小，與物理組件結果良好匹配。
圖1：普通機翼幾何結構顯示了本文介紹的幾何結構類型
圖2：在添加頂環(huán)之前仿真和物理構建的圖像均未顯示凸出部分。
圖3 顯示了氣流處于橫向截斷方向的后緣肋輪廓。仿真有效地預測了不合格變形的趨勢。
圖3：后緣連接肋輪廓的測量結果與預測結果對比。
圖4顯示了部件底部附近前緣周圍的輪廓。對于此輪廓，仿真預測的趨勢非常有效，在圖的右上方變形從內部變形轉變成外部變形，然后向下大約20mm處又回到內部變形，逐漸分叉，隨后又在圖的底部收斂。然而在此位置，位移大小的測量結果與預測結果之間存在一些差異，如果使用Scan Pattern Based或Thermal Strain模式，預測還會更準確些。
圖4：機翼表面近基部輪廓的測量結果與預測結果對比
最后要評估的輪廓是頂部附近的機翼表面。結果如圖5所示。在這個位置，預測的趨勢和大小相當準確。我們注意到在圖5左下方仿真預測的大位移非常有效，這與后緣良好匹配。這是肋與橫切壁交叉點的位置。
圖5：機翼表面近頂部輪廓的測量結果與預測結果對比
結論
用戶使用exaSIM Assumed Uniform Strain法仿真全尺寸航空航天組件。仿真結果可提供準確的趨勢和大小預測。這些預測結果使用戶能夠避免制造不合格的部件，從而為exaSIM的用戶節(jié)省大量時間和工作。
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本文標題：增材制造案例分享：部件精度預測
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