引言

ANSYSexaSIM?是一系列金屬增材制造（AM）仿真工具，有助于深入了解關(guān)于激光粉末熔融的復(fù)雜物理現(xiàn)象。exaSIM能針對(duì)殘余應(yīng)力、變形和構(gòu)造失敗生成實(shí)用的解決方案，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)部件容差，避免構(gòu)造失敗，同時(shí)盡可能減少試錯(cuò)試驗(yàn)和應(yīng)力消除熱處理。STL文件能自動(dòng)進(jìn)行變形補(bǔ)償，以抵消部件生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的變形。

本案例研究展示了如何使用exaSIM變形補(bǔ)償功能，根據(jù)制造過(guò)程中預(yù)測(cè)的應(yīng)變對(duì)部件的STL文件進(jìn)行反向變形。當(dāng)使用補(bǔ)償后的STL文件生產(chǎn)部件時(shí)，在構(gòu)建過(guò)程中部件會(huì)逐步變形成正確的形狀。

精確的基于路徑的關(guān)鍵路徑時(shí)序

當(dāng)采用激光熔融金屬粉末時(shí)，收縮應(yīng)變會(huì)隨著每個(gè)位置的熔融和冷卻而積累。這些應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，使部件變形與預(yù)期的形狀背離。變形的大小取決于幾何結(jié)構(gòu)、過(guò)程參數(shù)和材料。exaSIM能仿真構(gòu)建過(guò)程，利用逐層應(yīng)變的積累來(lái)預(yù)測(cè)變形。此信息可用來(lái)評(píng)估特定的幾何結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)如何影響組件的最終形狀。

自行車立管實(shí)例

GRMConsulting和BCIT提供了一種拓?fù)鋬?yōu)化的自行車組件：

（參見(jiàn)圖1和http://www.grm-consulting.co.uk/bcit-bike-stem）。

Renishaw在AM250系統(tǒng)上使用鈷鉻合金構(gòu)建了該部件。仿真顯示，減震架在從襯底上移除之后存在顯著的變形。一共構(gòu)建了兩個(gè)部件（一個(gè)有進(jìn)行補(bǔ)償，一個(gè)沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)償），以測(cè)試exaSIM的預(yù)測(cè)功能和變形補(bǔ)償工具。

仿真和構(gòu)建細(xì)節(jié)

研究人員利用exaSIMAdvanced和Ultimate中的各向異性掃描模式應(yīng)變功能預(yù)測(cè)變形。構(gòu)建參數(shù)和仿真假設(shè)如下表中所示。執(zhí)行第一次仿真時(shí)，為機(jī)器/材料/過(guò)程參數(shù)組合確定合適的應(yīng)變比例因子（SSF）。第二次使用校準(zhǔn)后的應(yīng)變比例因子執(zhí)行仿真，以測(cè)試變形補(bǔ)償功能的精確度。

仿真調(diào)整

為了調(diào)整SSF，將圖2中的未補(bǔ)償部件與圖3中的第一次仿真結(jié)果進(jìn)行比較。在部件與仿真之間比較所有圓的最佳擬合直徑和中心位置。研究人員找到能夠?qū)⒎抡娼Y(jié)果與底板上構(gòu)建部件的絕對(duì)差總和降到最小的比例因子，以此確定SSF的值為2.34。第二次仿真時(shí)，為了更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)從底板上移除之后的變形，研究人員選擇了塑性變形（J2）。對(duì)于該幾何結(jié)構(gòu)，當(dāng)變形補(bǔ)償因子（DCF）是1時(shí)，截?cái)嗪蟮膸缀谓Y(jié)構(gòu)與目標(biāo)形狀非常接近。將exaSIM創(chuàng)建的STL文件（DCF為1）用作最終構(gòu)建時(shí)的輸入幾何結(jié)構(gòu)。

結(jié)果

如圖3所示，截?cái)嗪蟮牡谝淮畏抡娼Y(jié)果預(yù)測(cè)減震架處（外圓）的變形最嚴(yán)重。exaSIM預(yù)測(cè)使DCF為1可以糾正此變形。如圖4所示，這些預(yù)測(cè)都十分準(zhǔn)確。在通過(guò)變形補(bǔ)償文件獲得的幾何結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建的減震架沒(méi)有變形；而如果使用初始幾何結(jié)構(gòu)作為輸入來(lái)構(gòu)建部件，減震架與預(yù)期的幾何結(jié)構(gòu)之間存在顯著變形。這些結(jié)果表明，在從襯底移除后可利用變形補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)精確的部件，無(wú)需進(jìn)行熱處理。

結(jié)論

此案例研究展示了exaSIM變形補(bǔ)償工具的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)人員和AM機(jī)械操作人員可利用激光粉末熔融增材制造技術(shù)制造完美的部件，而且在將部件從底板上移除之前無(wú)需采用昂貴的熱處理和應(yīng)力消除工藝。按照本案例研究中介紹的過(guò)程，exaSIM用戶可針對(duì)具體的機(jī)械/材料/過(guò)程參數(shù)組合來(lái)調(diào)整SSF并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)部件變形效果，無(wú)需額外進(jìn)行試錯(cuò)試驗(yàn)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。