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助力保時捷薄壁件打印           

增材制造工藝仿真

在過去的 30 多年里，增材制造技術被廣泛應用于各行各業(yè)，尤其在醫(yī)療器械、航空領域尤為突出。其中激光束進行金屬粉末床熔融的工藝應用最為廣泛，由該工藝制造的零部件普遍兼具高設計自由度、高靈活性、優(yōu)異機械性能等特點。對于汽車行業(yè)，由于行業(yè)本身對成本、質量及交付時間的嚴格要求，激光束粉末床熔融技術的應用面臨著更高的挑戰(zhàn)，所以目前應用目標主要集中在高價、小批量生產的車輛或運動型跑車。

01    保時捷GT2 RS 運動跑車簡介    

高性能運動跑車的制造數(shù)量有限，每年大約幾千輛，于是Ampower率先在該領域展開了增材制造的應用研究。Ampower 看到了增材制造技術在汽車動力驅動以及底盤系統(tǒng)的巨大應用潛力。 

Ampower 對高端汽車增材制造技術的應用做了相關研究——以保時捷 GT2 RS 運動跑車的排氣管部件為研究對象，采用Simufact完成了整個增材制造工藝鏈分析。排氣管部件是發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的外觀部件，因此對它的美觀性要求也很高。

排氣管部件通常采用不銹鋼或鈦合金材料制造。傳統(tǒng)的排氣管兩層鈑金通過深沖成形加工后通過焊接組裝到一起?？紤]到該零件工作狀態(tài)下要面臨的振動環(huán)境和腐蝕工況，對排氣管部件的機械性能也有特定的要求，尤其是需要注意焊縫區(qū)域應力集中情況。另外，排氣管部件往往受到整體設計迭代的影響，例如一旦深沖模具需要重新制造會帶來非常高的成本投入以及訂貨交付時間嚴重超時。然而，增材制造在應對設計變更方面的潛力是不容忽視的。設計變更不僅必須考慮部件本身還需考慮周邊組件、功能和裝配步驟等。對于增材制造而言，應對設計變更的優(yōu)勢是：無模具制造（將大大縮短產品投入市場的時間）、實現(xiàn)均質材料特性（將有效提升產品質量）、部件的數(shù)量減少與之對應的裝配工序減少（實現(xiàn)定制化設計）。

圖1 增材制造工藝鏈

圖 1 展示了排氣管部件的增材制造工藝鏈，采用激光束粉末床熔融技術進行加工，其中在Simufact Additive中仿真模擬了由增材制造打印任務、熱處理、基板切割支撐移除、熱等靜壓這幾個關鍵階段。

圖2：保時捷 GT2 RS 運動跑車排氣管部件設計變更，打印和后處理

圖 2 顯示了在Simufact Additive中采用鈦合金 Ti-Al6-4V 材料進行打印過程仿真的結果。仿真計算過程中，結果可實時查看。

圖 3：Simufact Additive 仿真結果（左）打印件掃描結果（右）

對于復雜的自由曲面，采用光學3D掃描，例如：?？怂箍?/a>的測量設備以及計算機斷層掃描（CT）可以精確的測量打印件的幾何。在本次研究中，CT 圖像結果被用于評估仿真工具的可靠性，例如變形情況預測和變形補償。從打印結果可以看出整體精度主要受到粉末床熔融過程中殘余應力（材料以每秒上千度的速度冷卻時產生的）導致的變形和部件收縮的影響。

圖4：在Simufact Additive里直接進行收縮線探測（左：打印件 右：仿真結果）

激光束粉末床熔融工藝仿真采用 Simufact Additive 軟件，通過固有應變方法完成求解。CAD 模型采用體素單元進行離散化，結合部件的壁厚，設置體素單元尺寸為 2mm。仿真結果包括應力分布和變形的預測以及最終形狀的輸出。圖 3 對比了仿真結果與CT測量結果?？梢钥吹椒抡娼Y果與實物測量結果吻合的較好，表面偏置情況和變形量與實際完全符合。通過 Simufact Additive 進一步預測了成形缺陷“收縮線”。這些收縮線發(fā)生在匯聚部位的層與層之間，在凝固過程中留在表面上，外觀可見。圖 4 中可以看到實物打印部件的上部區(qū)域出現(xiàn)了收縮線，而仿真軟件準確的預測了這一成形缺陷，下一步可以基于該結果進行補償設計。 

02    價值體現(xiàn)    

本研究揭示了激光束粉末床熔融工藝在汽車薄壁結構中應用的可行性。然而，該工藝相對較高的成本將限制其應用范圍為：小批量、高端產品的制造。Simufact Additive 準確的預測了變形和收縮線，并可以基于仿真結果進一步進行改進工藝設計和驗證，最終實現(xiàn)一次成功打印的目標。

03    ?？怂箍翟霾闹圃旆桨?/strong>    

?？怂箍礢imufact增材制造工藝仿真包括：金屬粉床熔融（PBF、SLM、DMLS等）、金屬粘結劑噴射成型（MBJ）的增材制造工藝、以及送絲送粉的增材制造工藝（DED）。

針對于粉床熔融的增材制造工藝仿真，海克斯康Simufact Addiitive支持全工序鏈的仿真分析，包括：構建（打印）、線割、支撐移除、熱處理、熱等靜壓（HIP）等，通過模擬可以有效預測變形、開裂、塌陷、刮刀碰撞、收縮線等失效問題，支持多種類型的支撐結構導入與創(chuàng)建，支持支撐結構優(yōu)化、支撐方向優(yōu)化、考察基板變形、成本分析、反變形、自動變形補償?shù)裙δ?，向導式操作模式下采用一鍵式網格劃分，高效、簡易的前處理界面與后處理界面融為一體，極大地提高用戶仿真效率。

針對金屬粘結劑噴射成型，?？怂箍礢imufact Addiitive 專業(yè)的MBJ模塊，可以進行該工藝的燒結過程仿真，可以考慮粘結后的零件的致密度、燒結過程中的重力影響、通過輸入燒結工藝曲線仿真分析燒結過程中的收縮變形，而且具備自動迭代補償變形的功能，能夠自動迭代補償變形結果，幫助用戶解決燒結收縮變形等問題。

針對送絲送粉增材制造工藝仿真，海克斯康Simufact Welding專業(yè)的DED模塊，主要用于送絲送粉式增材制造工藝的仿真。通過對增材制造過程及結束后的變形量、殘余應力場、溫度場等結果進行預測仿真，協(xié)助工程師對增材的工藝參數(shù)，G-Code路徑進行補償優(yōu)化，從而得到較優(yōu)的增材工藝參數(shù)，指導實際加工生產。針對金屬送絲送粉式工藝的增材制造，仿真軟件能夠自動對工件變形進行預測及反變形結果補償，協(xié)助工程師完成高質量打印。

（?？怂箍倒I(yè)軟件）

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