MTC 借助仿真 App 优化 3D 打印

Bridget Cunningham 2015年 7月 23日

3D 打印已经成为一项深受很多行业欢迎的制造技术。人们对这种制造方法的需求不断增长,也进一步促进了对此工艺的仿真研究。制造技术中心 (MTC) 的工程师们发现他们的客户对定型金属沉积这种增材制造技术很感兴趣。团队特意为此开发了一个仿真 App,不仅能更好地满足客户的需求,还能更高效地向他们交付有效的仿真结果。

App 增强了仿真的功能

为了开发出最优的设备或工艺,设计人员和制造商往往需要测试各种设计方案;因此,仿真专家很可能经常需要针对每项新设计反复进行测试。App 开发器革新了这个过程,借助由模型转换来的仿真 App,用户只需点击按钮就能针对他们的设计方案独立运行仿真并获取结果,即使他们并没有任何仿真专业背景。

设计 App 时,您可以只加入那些对最终用户很重要的参数,这样既能加入所有底层物理场,又能向用户隐藏模型的复杂度。修改设计时,App 用户可以更改具体的输入项来模拟新配置的性能。结果如何呢?更高效的仿真流程使工程师能专注于设计结果,而非模型背后的物理场。

我们在过去几周发表的几篇博客向您介绍了一些演示 App,这些 App 旨在帮您更好地开始您自己的 App 开发。今天,我们将与您分享 MTC 团队如何通过开发 App 来分析及优化定型金属沉积 (SMD) 这种增材制造技术。我们将从分析促成该 App 开发的原因开始。

MTC 研究团队的照片。
MTC 的团队与他们开发的仿真 App。

对 3D 打印的关注正在持续增长

过去几十年中,3D 打印行业经历了突飞猛进的发展。各项新技术的出现进一步提升了 3D 打印技术,现在,它已成为最受医疗、汽车和服装等行业喜爱的零件制造方法。

最近,MTC 正式成为英国国家净形和增材制造中心,仿真专家们发现他们的客户对增材制造很感兴趣,特别是对定型金属沉积技术 (SMD)。与基于粉末的增材制造技术相比,SMD 因其支持在已有的零件中构建新的特征,以及支持在同一个零件中使用多种材料而备受重视。

这项制造技术类似于焊接,会逐渐在表面上沉积熔融金属。它的问题是,熔融金属会发生热膨胀,将在冷却时造成包层变形。因此,最终产品可能会偏离预期。


对制造零件中温度加热的仿真,由 MTC 团队制作。

3D 打印零件中的变形。
经过六层沉积后,制造零件中出现肉眼可见的变形。

MTC 团队希望能最小化设计变形或能根据变形调整设计,从而能更好地预测设计方案得到的最终成品,为此,团队借助 COMSOL Multiphysics 开发了一个模型;而且,为了更好地应对这种制造技术的迅速普及,MTC 还将模型转换为能够在组织内进行跨部门分享的仿真 App。

借助仿真 App 优化定型金属沉积

MTC 开发的仿真 App 主要基于对 SMD 热循环中热应力和由此产生变形的热力学分析,App 被设计用于预测通过沉积工艺制造的零件是否在可接受的容差范围内。有时,我们需要多次测试才能使最终变形落在可接受的范围内。通过 App 直观且友好的用户界面,App 用户将能轻松修改各项输入,从而能够测试和分析各项新设计的性能。

MTC 所开发仿真 App 的用户界面截图。
MTC App 的用户界面。

通过开发该款 App,MTC 团队使用户能轻松地测试不同几何、更改材料、应用网格剖分序列,并能实验不同的热源与沉积路径。App 中包含两个预定义的参数化几何,并支持导入定制几何。


在 App 中运行仿真。绘图为温度场。

《COMSOL News》2015 年刊中,MTC 的工程师 Borja Lazaro Toralles 讨论了借助此方法分析及优化 SMD 技术的各项优势。”如果没有 App,我们的仿真专家就需要测试我们希望研究的每个项目,这是对他们仿真专长的极大浪费。” Lazaro Toralles 在文章中提到。

我们能将开发的 App与 MTC 团队中没有仿真经验的同事分享。通过在组织内分享这款易于使用的工具,为其他团队成员提供了一个测试及验证设计的简单方法,从而加速了仿真流程,并能更快地为客户提供结果。对那些希望能通过一个快速的低成本方式测试这种增材制造技术用途的公司而言,MTC 的工程师们将能借助仿真 App 更快地响应他们的需求。

MTC 的未来发展之路

MTC 团队已经开始升级他们的仿真 App,希望进一步增强 App 的功能,并为最终用户带来更多的新资源。工程师们正利用物理场开发器来定制物理场接口,希望模拟更复杂的工具路径与熔体池。接口界面基于具体设计需求定制,为工程师们提供了一个更轻松、更快速的执行方法,还能减少出错几率。

为了进一步提升 App 的可用性,MTC 正计划通过 App 开发器的卡片堆工具来提供更多的上下文引导。他们计划加入对微结构在宏观级别演化的模拟,从而能够预测热影响区,提升仿真精度。

认识到开发仿真 App 所能带来的各项优势之后,MTC 正计划开发更多的 App,比如用于评估拓扑优化、模拟热等静压 (HIP) 工艺的 App。他们还希望能将 COMSOL Server™ 链接至他们的集群中,从而在一个安全的环境内实现仿真 App 的管理、运行及共享。这无疑能为那些暂时不具备高级计算能力的公司带来极大便利。

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