设计仿真 | Simufact 增材制造工艺仿真助力保时捷薄壁件打印

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增材制造工艺仿真

在过去的 30 多年里，增材制造技术被广泛应用于各行各业，尤其在医疗器械、航空领域尤为突出。其中激光束进行金属粉末床熔融的工艺应用最为广泛，由该工艺制造的零部件普遍兼具高设计自由度、高灵活性、优异机械性能等特点。对于汽车行业，由于行业本身对成本、质量及交付时间的严格要求，激光束粉末床熔融技术的应用面临着更高的挑战，所以目前应用目标主要集中在高价、小批量生产的车辆或运动型跑车。

01    保时捷GT2 RS 运动跑车简介    

高性能运动跑车的制造数量有限，每年大约几千辆，于是Ampower率先在该领域展开了增材制造的应用研究。Ampower 看到了增材制造技术在汽车动力驱动以及底盘系统的巨大应用潜力。 

Ampower 对高端汽车增材制造技术的应用做了相关研究——以保时捷 GT2 RS 运动跑车的排气管部件为研究对象，采用Simufact完成了整个增材制造工艺链分析。排气管部件是发动机排气系统中的外观部件，因此对它的美观性要求也很高。

排气管部件通常采用不锈钢或钛合金材料制造。传统的排气管两层钣金通过深冲成形加工后通过焊接组装到一起。考虑到该零件工作状态下要面临的振动环境和腐蚀工况，对排气管部件的机械性能也有特定的要求，尤其是需要注意焊缝区域应力集中情况。另外，排气管部件往往受到整体设计迭代的影响，例如一旦深冲模具需要重新制造会带来非常高的成本投入以及订货交付时间严重超时。然而，增材制造在应对设计变更方面的潜力是不容忽视的。设计变更不仅必须考虑部件本身还需考虑周边组件、功能和装配步骤等。对于增材制造而言，应对设计变更的优势是：无模具制造（将大大缩短产品投入市场的时间）、实现均质材料特性（将有效提升产品质量）、部件的数量减少与之对应的装配工序减少（实现定制化设计）。

图1 增材制造工艺链

图 1 展示了排气管部件的增材制造工艺链，采用激光束粉末床熔融技术进行加工，其中在Simufact Additive中仿真模拟了由增材制造打印任务、热处理、基板切割支撑移除、热等静压这几个关键阶段。

图2：保时捷 GT2 RS 运动跑车排气管部件设计变更，打印和后处理

图 2 显示了在Simufact Additive中采用钛合金 Ti-Al6-4V 材料进行打印过程仿真的结果。仿真计算过程中，结果可实时查看。

图 3：Simufact Additive 仿真结果（左）打印件扫描结果（右）

对于复杂的自由曲面，采用光学3D扫描，例如：海克斯康的测量设备以及计算机断层扫描（CT）可以精确的测量打印件的几何。在本次研究中，CT 图像结果被用于评估仿真工具的可靠性，例如变形情况预测和变形补偿。从打印结果可以看出整体精度主要受到粉末床熔融过程中残余应力（材料以每秒上千度的速度冷却时产生的）导致的变形和部件收缩的影响。

图4：在Simufact Additive里直接进行收缩线探测（左：打印件 右：仿真结果）

激光束粉末床熔融工艺仿真采用 Simufact Additive 软件，通过固有应变方法完成求解。CAD 模型采用体素单元进行离散化，结合部件的壁厚，设置体素单元尺寸为 2mm。仿真结果包括应力分布和变形的预测以及最终形状的输出。图 3 对比了仿真结果与CT测量结果。可以看到仿真结果与实物测量结果吻合的较好，表面偏置情况和变形量与实际完全符合。通过 Simufact Additive 进一步预测了成形缺陷“收缩线”。这些收缩线发生在汇聚部位的层与层之间，在凝固过程中留在表面上，外观可见。图 4 中可以看到实物打印部件的上部区域出现了收缩线，而仿真软件准确的预测了这一成形缺陷，下一步可以基于该结果进行补偿设计。 

02    价值体现    

本研究揭示了激光束粉末床熔融工艺在汽车薄壁结构中应用的可行性。然而，该工艺相对较高的成本将限制其应用范围为：小批量、高端产品的制造。Simufact Additive 准确的预测了变形和收缩线，并可以基于仿真结果进一步进行改进工艺设计和验证，最终实现一次成功打印的目标。

03    海克斯康增材制造方案    

海克斯康Simufact增材制造工艺仿真包括：金属粉床熔融（PBF、SLM、DMLS等）、金属粘结剂喷射成型（MBJ）的增材制造工艺、以及送丝送粉的增材制造工艺（DED）。

针对于粉床熔融的增材制造工艺仿真，海克斯康Simufact Addiitive支持全工序链的仿真分析，包括：构建（打印）、线割、支撑移除、热处理、热等静压（HIP）等，通过模拟可以有效预测变形、开裂、塌陷、刮刀碰撞、收缩线等失效问题，支持多种类型的支撑结构导入与创建，支持支撑结构优化、支撑方向优化、考察基板变形、成本分析、反变形、自动变形补偿等功能，向导式操作模式下采用一键式网格划分，高效、简易的前处理界面与后处理界面融为一体，极大地提高用户仿真效率。

针对金属粘结剂喷射成型，海克斯康Simufact Addiitive 专业的MBJ模块，可以进行该工艺的烧结过程仿真，可以考虑粘结后的零件的致密度、烧结过程中的重力影响、通过输入烧结工艺曲线仿真分析烧结过程中的收缩变形，而且具备自动迭代补偿变形的功能，能够自动迭代补偿变形结果，帮助用户解决烧结收缩变形等问题。

针对送丝送粉增材制造工艺仿真，海克斯康Simufact Welding专业的DED模块，主要用于送丝送粉式增材制造工艺的仿真。通过对增材制造过程及结束后的变形量、残余应力场、温度场等结果进行预测仿真，协助工程师对增材的工艺参数，G-Code路径进行补偿优化，从而得到较优的增材工艺参数，指导实际加工生产。针对金属送丝送粉式工艺的增材制造，仿真软件能够自动对工件变形进行预测及反变形结果补偿，协助工程师完成高质量打印。

（海克斯康工业软件）

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