增材制造過程工藝模擬-立項(xiàng)報(bào)告

關(guān)鍵技術(shù):1.增材制造過程工藝模擬激光增材制造技術(shù)（俗稱激光3D打?。┦侨诤狭思す?、計(jì)算機(jī)軟件、材料、機(jī)械、控制等多學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)性、綜合性技術(shù)。采用離散化手段逐點(diǎn)或逐層“堆積”成型原理，根據(jù)零件%AD模型進(jìn)行切片分層處理，采用數(shù)控系統(tǒng)控制工作臺(tái)按照分層軟件設(shè)定的路徑進(jìn)行掃描，通過激光熔化金屬粉末層層疊加獲得近凈成形零件，增材制造技術(shù)徹底改變了傳統(tǒng)金屬零件，特別是高性能難加工、構(gòu)型復(fù)雜等金屬零件的加工模式。增材制造是結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來生產(chǎn)制造三維物體的過程。在增材制造過程中，物體的創(chuàng)建是通過連續(xù)鋪設(shè)材料層直至創(chuàng)建出整個(gè)物體來實(shí)現(xiàn)的。圖1說明了典型的增材制造工作流程。第1步到第7步展示的是物體從設(shè)計(jì)直至生產(chǎn)的整個(gè)工作流程。圖1：標(biāo)準(zhǔn)增材制造工作流程從歷史上看，傳統(tǒng)或常規(guī)的制造方法主要是利用消減工藝將各種形式的基礎(chǔ)原材料轉(zhuǎn)變?yōu)槌善?。這些技術(shù)采用沿用已久的設(shè)計(jì)/加工方法、工具、設(shè)備（例如鑄造車間、車床、CNC等）、生產(chǎn)活動(dòng)及步驟。增材制造（AM）是常規(guī)制造方法的偉大變革。增材制造以3D打印而廣為人知，是一種現(xiàn)代制造技術(shù)。圖2--圖4展示了這兩種類型的制造工藝。圖2.傳統(tǒng)制造 圖3.增材制造（激光送粉）圖4.增材制造（激光鋪粉）澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的未來制造技術(shù)主管SweeMak博士在2014年6月4日的Hunter研究基金會(huì)會(huì)議上展示了圖5。他總結(jié)道：“與對一整塊成品材料進(jìn)行加工以制造出產(chǎn)品的傳統(tǒng)消減制造方法相比，增材制造方法不僅速度快、能耗低，而且減少了廢料?！眻D5增材與消減制造對比全球增材制造市場包括3D打印機(jī)、材料及服務(wù)提供商。到2020年，整個(gè)市場（不包括材料）的價(jià)值有望達(dá)到114億美元；2016至2020年間，預(yù)計(jì)年增長率為21.0%。圖6（a）和圖6（b）列出了全球增材制造市場近年的發(fā)展及主要行業(yè)的市場占有率。圖6（a）：全球主要增材制造市場圖6（b）：采用增材制造技術(shù)的行業(yè)二十世紀(jì)末，制造技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了對新類別工藝（即“增材制造”）的需求。2016年3月3日，在美國南卡羅萊納州查爾斯頓舉辦的SHIPTECH2016會(huì)議中，ConcurrentTechnologies公司的KennethSabo介紹了增材制造工藝的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。表1給出了增材制造工藝的優(yōu)勢/挑戰(zhàn)概覽。優(yōu)勢挑戰(zhàn)1.制造復(fù)雜部件1.材料研發(fā)，數(shù)據(jù)積累滯后2.產(chǎn)品多樣化，不增加成本2.功率源開發(fā)滯后；3.生產(chǎn)周期短3.質(zhì)量的一致性，打印機(jī)的穩(wěn)定性4.零技能制造4.最終形狀的變形控制5.不占空間，便攜制造5.凝固組織，內(nèi)部缺陷質(zhì)量控制6.節(jié)省材料6.晶粒尺寸，晶粒形態(tài)和取向的控制表1：增材制造工藝的優(yōu)勢/挑戰(zhàn)1）關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)過去25年間，增材制造技術(shù)突飛猛進(jìn)。但是，與材料、設(shè)備、機(jī)器/工藝變化及應(yīng)用等有關(guān)的技術(shù)難題一直是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)部件的主要考慮因素。圖7增材制造從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)階段的各種挑戰(zhàn)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)階段的各種挑戰(zhàn)來自材料特性、工藝條件的不確定性以及打印機(jī)/工藝/材料特性的相關(guān)性等多個(gè)方面：材料特性：當(dāng)前，3D打印生產(chǎn)廠家還未擁有完整的材料屬性數(shù)據(jù)庫。行業(yè)無法實(shí)現(xiàn)整體遷移來提供完整的制造解決方案，除非可以記錄并保存可用材料的材料屬性數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步研究、記錄選定部件的“增材制造”材料能力（例如與構(gòu)建方位、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、環(huán)境考慮、斷裂韌度等有關(guān)的材料屬性）提供給所有廠家。如果不能得到3D打印部件的材料屬性，工程師和設(shè)計(jì)人員就無法將增材制造視為可行的制造方法。?工藝條件的不確定性：現(xiàn)有方法尚不足以解決工藝可重復(fù)性和一致性。有時(shí)粉末會(huì)出現(xiàn)高達(dá)85%的廢品率。需要開發(fā)出創(chuàng)新的方法，以改進(jìn)和加強(qiáng)早期的檢驗(yàn)。良好的工藝控制可縮短機(jī)器停工時(shí)間，這也是當(dāng)前許多機(jī)器和工藝設(shè)計(jì)人員遇到的主要問題。?打印機(jī)/工藝/材料特性的相關(guān)性：值得注意的是機(jī)器間以及部件間的可重復(fù)性。需要對部件布局（部件放置以及構(gòu)建角度均取決于打印機(jī)的能力）進(jìn)行精調(diào)。需要通過進(jìn)行一系列的“假設(shè)”研究和統(tǒng)計(jì)分析來估算與構(gòu)建方向、速度等以及與材料強(qiáng)度的相關(guān)性，以便了解深層次的變化。大多數(shù)大中型歐、美國生產(chǎn)廠家都要日復(fù)一日地處理上述難題。他們所表達(dá)的一些關(guān)注點(diǎn)如下：.增材制造能否生產(chǎn)出輕量化、高性價(jià)比的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品？.采用增材制造技術(shù)是否是明智之舉？.我應(yīng)當(dāng)對物流/供應(yīng)商提出哪些建議？.什么是關(guān)鍵變量靈敏度矩陣？.表面加工為何會(huì)過于粗糙或過于精細(xì)？.粉末廢品率為何會(huì)如此之高？這些關(guān)鍵性的技術(shù)和眾多挑戰(zhàn)將是未來增材制造企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)需要重點(diǎn)解決和面臨的。2）國內(nèi)外進(jìn)展和水平增材制造技術(shù)現(xiàn)狀增材制造在航空航天行業(yè)受到了廣泛的關(guān)注。各大企業(yè)對增材制造技術(shù)的研究和推廣都做出了重點(diǎn)布局?？湛徒⒘嗽霾膭?chuàng)新中心，并與高校、設(shè)備制造商進(jìn)行密切的聯(lián)合研究。2012年空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，這也是空客商務(wù)機(jī)首次使用3D打印的部件。空客公司生產(chǎn)的軍用〃臺(tái)風(fēng)〃戰(zhàn)斗機(jī)，使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)?？湛瓦€提出2016年是鈦合金3D打印年，并預(yù)計(jì)到2018年每月將有30-35噸的增材制造零件被裝在飛機(jī)上。波音公司開發(fā)出一種懸浮式3D打印技術(shù)，在沒有任何實(shí)體打印平臺(tái)的情況下，實(shí)現(xiàn)360度無死角操作，并于近日成功獲批專利。波音公司已經(jīng)利用3D打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機(jī)零部件，包括將冷空氣導(dǎo)入電子設(shè)備的導(dǎo)管等。預(yù)計(jì)到2018年波音的飛機(jī)會(huì)采用超出20000個(gè)3D打印零件。GE專門成立了增材制造實(shí)驗(yàn)室，成功收購了生產(chǎn)商MORRIS公司，于2014完成傳感器外殼設(shè)計(jì)、制造，2015年2月獲得FFA認(rèn)證，第二周投入使用。GE進(jìn)一步推出了3D打印的燃油噴嘴（圖8），并于2015實(shí)現(xiàn)批生產(chǎn)，2015生產(chǎn)了1000件，2020年預(yù)計(jì)可達(dá)年產(chǎn)40000件。俄托木斯克理工大學(xué)2016年3月31日發(fā)射世界首顆外殼全由3D打印制造的立方體納衛(wèi)星。該衛(wèi)星搭乘“進(jìn)步MC-2”號(hào)貨運(yùn)飛船前往國際空間站，之后再由國際空間站宇航員在例行出艙活動(dòng)期間發(fā)射到預(yù)定軌道。該大學(xué)科學(xué)家認(rèn)為，采用3D打印技術(shù)制造外殼將使這類衛(wèi)星變得更為廉價(jià)和普及，進(jìn)一步降低衛(wèi)星開發(fā)的門檻。美國Aeromet公司利用激光3D打印技術(shù)制造出多個(gè)大型鈦合金關(guān)鍵承力件，其中整體筋板加強(qiáng)鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)框的尺寸達(dá)到2.5m，重達(dá)130Kg，機(jī)翼拼接接頭等已經(jīng)在F22及F18E/F上得到批量使用。圖8GELeap發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴嘴 圖9西北工大制造的飛機(jī)主承力梁（長5米）、國內(nèi)近年來增材制造的開發(fā)和研究也有了長足的進(jìn)步。以北航的王華明教授，西北工大的黃衛(wèi)東教授，華中科大的史玉升教授等為代表的大學(xué)，研究院在增材制造工藝和產(chǎn)品開發(fā)上取得了可喜的成果。北航的王華明教授于1995開始金屬激光增材制造的研究，為國產(chǎn)C919,J15等提供航空結(jié)構(gòu)件，其中包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤。2012年，憑借“大型復(fù)雜整體鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成型制造技術(shù)及裝備”獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。華中科大利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)蓋，7天內(nèi)可以整體成型四氣門六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯。而采用傳統(tǒng)的砂型鑄造試制方法需要5個(gè)月。華中科大還為空客和歐洲航天局制作飛機(jī)，衛(wèi)星，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用大型復(fù)雜鈦合金部件的鑄造蠟?zāi)?。其設(shè)備成型空間為1.2米X1.2米，達(dá)到激光燒結(jié)快速制造領(lǐng)域世界領(lǐng)先水平。正如王華明教授所說，3D打印不是泡沫也非“神器”。增材制造作為成熟的工藝方法要走的路還很長。增材制造除了不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢以外，材料/功能源的開發(fā)滯后，各種金屬材料最佳燒

結(jié)參數(shù)的積累，凝固組織，內(nèi)部缺陷質(zhì)量控制，及其無損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，晶粒尺寸/晶粒形態(tài)趨向的控制，后續(xù)熱處理工藝，變形控制等都是影響增材制造發(fā)展和完善的瓶頸。增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢增材制造的技術(shù)在設(shè)備的成本，效率，功能方面發(fā)展迅猛，正從塑料快速原形向金屬零件；單一材料向多種材料和嵌入結(jié)構(gòu)；單一增材制造向和切削加工的集成，應(yīng)用范圍較窄向突破規(guī)模/成本/材質(zhì)限制的方向提升和進(jìn)化。而在航空航天中的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在非金屬部件向金屬，復(fù)合材料；功能結(jié)構(gòu)件向次承力，主承力結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)件替換向結(jié)構(gòu)的重新優(yōu)化設(shè)計(jì)；單一性能材料向功能梯度材料；零件級制造向部件級制造，機(jī)器人智能制造等爆炸式發(fā)展，這對航天航空工業(yè)可能產(chǎn)生顛覆性的影響。2.力建設(shè)2.3）增CAE2.力建設(shè)2.3）增CAE仿真技與其他研究、設(shè)計(jì)、在提高增材質(zhì)量一致性，成功”來降保證性能的正超過常規(guī)問題上，需套生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，安全論證的優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝研究質(zhì)量控制/適航審定許用值確定：建立流程，積累數(shù)據(jù)，建立生命周期各階段的數(shù)據(jù)庫以及建立數(shù)據(jù)的相關(guān)性和可追溯性。制備技術(shù)：制定工藝參數(shù)，制備穩(wěn)定/可靠的零部件粉末質(zhì)量保障，設(shè)備穩(wěn)定性保障拓?fù)鋬?yōu)化：仿生學(xué)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)工程師拓?fù)鋬?yōu)化能力熱處理技術(shù)：消除產(chǎn)品的殘余應(yīng)力，改進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)零件性能保障，批生產(chǎn)過程與方式的質(zhì)量與適航符合性功能梯度材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)飛機(jī)不同部位的需求，設(shè)計(jì)功能材料結(jié)構(gòu)。支撐材料移除：合理設(shè)計(jì)支撐部件和打印策略，控制產(chǎn)品變形高精度尺寸控制一體化設(shè)計(jì)：減少零件量，降低裝配成本機(jī)加工和表面處理：精加工，噴丸，拋光，提高疲勞性能無損檢測材制造的術(shù)的現(xiàn)狀行業(yè)工藝的開發(fā)一樣，制造產(chǎn)品的追求“一次低廢品率，可靠性上真工藝方法等要建立一整質(zhì)量檢測，規(guī)范，以及圖10從塑料裝飾件向結(jié)構(gòu)主承力件發(fā)展金屬增材制造對于少批量產(chǎn)品具圖11.增材制造的產(chǎn)品對比裝飾件功能件次承力件主承力件少模具成本，降低全壽命成本的優(yōu)勢，材料塑料金呂/鈦鈦/鋼/新材料鈦/鋼/新材料上與鍛件相當(dāng)或高于鍛件，用來替換現(xiàn)設(shè)計(jì)替換設(shè)計(jì)替換/優(yōu)化優(yōu)化優(yōu)化合金鍛件，已經(jīng)在航天、軍機(jī)部門得到制造快速/成本高快速/成本高難度大難度大但在民機(jī)領(lǐng)域尚無應(yīng)用。還需在拋光，適航審定無無/簡單說明強(qiáng)制強(qiáng)制等靜壓等后處理方法上突破，以提高增造產(chǎn)品的致密度和均勻性進(jìn)而提高產(chǎn)成熟度9653疲勞壽命。企業(yè)的增材制造的核心能力建設(shè)，將注重優(yōu)化設(shè)計(jì)能力，工藝研究能力，質(zhì)量控制與適航審定能力（詳見表2）。，，減能鈦用丸制的有性有應(yīng)噴材快速提高企業(yè)的核心技術(shù)能力。而基于CAE技術(shù)的增材制造過程的仿真，以及增材制造的生命周期中各個(gè)階段的數(shù)據(jù)信息化管理將是解決上述問題的不可缺少的輔助手段和強(qiáng)有力工具。增材制造是一種快速原形制造技術(shù)。根據(jù)零件形狀，每次制作一個(gè)具有一定微小厚度（^m）和特定形狀的截面，然后通過激光把粉末熔化，再通過冷卻它們逐層粘結(jié)起來，得到所需制造的立體零件。目前通用的CAE軟件不能滿足增材制造過程仿真分析的特殊性和技術(shù)開發(fā)需求。增材制造的整個(gè)制造過程（粉末的熔化和凝固以及堆積）需要考慮金屬金相變化的熱機(jī)耦合時(shí)域仿真。使用通用CAE軟件需要花數(shù)百個(gè)小時(shí)，甚至幾周才能得到仿真結(jié)果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上增材制造的設(shè)計(jì)開發(fā)進(jìn)程，這將大大削弱增材制造本身的“快速原形制造”的優(yōu)勢。同時(shí)，增材制造產(chǎn)品的有限元網(wǎng)格需要嚴(yán)格地與CAD的逐層切片保持一致，這就給利用目前通用的網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行建模帶來了極大困難。需要指出的是，雖然增材制造被認(rèn)為是一種巧奪天工的技術(shù)，幾乎可以造出任何形狀的物品，這給各CAE供應(yīng)商開發(fā)的拓?fù)鋬?yōu)化軟件帶來了很大的用武之地。但是，由于后續(xù)切削，拋光，噴丸等工藝的限制，增材制造的形狀并不能真正做到想像的“為所欲為”。另外，成型過程只是增材制造的第一步，還需后續(xù)工藝，比如等靜壓，切削，熱處理，表面處理來完善產(chǎn)品。目前急需能夠覆蓋整個(gè)工藝流程（圖12），能夠簡潔建模/快速計(jì)算的增材制造專用CAE仿真軟件問世，以促進(jìn)增材制造工藝體系的建立以及加速企業(yè)有關(guān)核心能力的提高。圖12增材制造專用CAE仿真軟件覆蓋的工藝流程3）本研究的創(chuàng)新點(diǎn)為建立、建設(shè)企業(yè)在增材制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、制造、研發(fā)能力，進(jìn)一步提高企業(yè)的市場競爭力，與國內(nèi)外同行業(yè)中的領(lǐng)先企業(yè)接軌，企業(yè)有必要開展與增材制造工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的研發(fā)能力建設(shè)。由于增材制造過程涉及很多復(fù)雜的工藝參數(shù)和設(shè)備等的條件，國內(nèi)外增材制造企業(yè)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)主要基于實(shí)物物理試驗(yàn)的手段進(jìn)行產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)和校驗(yàn)，成本投入較大、研發(fā)周期較長。如果能夠引進(jìn)先進(jìn)的、專門的CAE分析工具進(jìn)行增材制造過程的虛擬再現(xiàn)，在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的問題進(jìn)行改正，從而減少廢料和廢品率；通過虛擬環(huán)境進(jìn)行各種工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝方案的分析和對比，制造出高質(zhì)量、滿足使用和性能要求的3D打印產(chǎn)品，將對企業(yè)大幅降低研發(fā)成本和提高研發(fā)效率非常有益。因此，本研究對目前市場上已有的CAE分析工具進(jìn)行綜合全面的調(diào)研和試用，結(jié)合增材制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)T拓?fù)鋬?yōu)化T增材制造過程虛擬仿真T熱靜等壓處理T切削T表面處理等選擇適用的CAE分析工具輔助進(jìn)行工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的優(yōu)選，推動(dòng)后續(xù)研發(fā)和制造工作的順利開展。作為易學(xué)、易用且滿足工程精度的增材制造專用仿真分析軟件，仿真技術(shù)需要突破以下幾種技術(shù)和滿足以下幾種要求。.由于目前的網(wǎng)格劃分技術(shù)不適合準(zhǔn)確描述增材制造所特有的切片模型和層層疊加的加工方法，需要推出一種對CAD進(jìn)行自動(dòng)切片，并具備對計(jì)算模型進(jìn)行規(guī)則的，“無失敗”網(wǎng)格（像素單元）的自動(dòng)生成功能；.能夠自動(dòng)讀入打印機(jī)的工藝參數(shù)（打印方向，打印路徑，熱源量）以減輕仿真條件設(shè)置的負(fù)荷；3,能夠進(jìn)行多尺度計(jì)算。對局部采用精密的微觀（Microscopic）計(jì)算以準(zhǔn)確地算出焊點(diǎn)周圍的溫度變化和應(yīng)變；利用等效溫度變化或等效應(yīng)變對產(chǎn)品進(jìn)行宏觀（Macroscopic）計(jì)算以求計(jì)算效率的提高，使用多核并行計(jì)算的時(shí)間控制在1-2小時(shí)之內(nèi)（圖15）；.增材制造過程的仿真計(jì)算結(jié)果與其它后續(xù)工藝過程仿真能夠有機(jī)結(jié)合和傳遞，保證熱處理，靜等壓，切削，表面處理能夠一氣呵成地完成工藝鏈的仿真模擬；.增材制造的仿真系統(tǒng)能夠與增材制造的材料生命周期管理系統(tǒng)無縫連接，使其在許用值確定，粉末質(zhì)量保障，制備穩(wěn)定性保障，零件性能保障，批生產(chǎn)過程與方式的質(zhì)量與適航符合性保障發(fā)揮更大的作用。4）擬采取的技術(shù)方法和途徑經(jīng)過前期對增材制造過程進(jìn)行仿真分析的工具的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前MSC公司最新研發(fā)的專門用于模擬金屬材料增材制造過程的仿真分析軟件Simufact.AM，完全能夠滿足企業(yè)目前的要求，Simufact.AM可以模擬基于鋪粉方式的金屬結(jié)構(gòu)的增材制造過程。通過Simufact.AM不僅可以虛擬再現(xiàn)增材制造過程，預(yù)測增材制造過程中以及結(jié)束后結(jié)構(gòu)的變形和最終形狀、殘余應(yīng)力。并可以對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行金相組織轉(zhuǎn)變、晶粒尺寸的計(jì)算，同時(shí)可以進(jìn)行支持/支撐結(jié)構(gòu)（位置、強(qiáng)度/剛度）的輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)，幫助預(yù)測是否存在不充分的支持以及結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫的可能性。圖13Simufact.AM進(jìn)行增材制造仿真分析的案例Simufact.AM提供了專門的前后處理工具用于進(jìn)行增材制造仿真分析模型的建模和結(jié)果后處理，設(shè)計(jì)人員可以在友好的界面下方便、快速的進(jìn)行仿真模型的建模和結(jié)果的提取?；赟imufact.AM的像素網(wǎng)格技術(shù)設(shè)計(jì)人員可以快速的進(jìn)行任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分；它的求解器功能強(qiáng)健，設(shè)計(jì)人員可以從不同的層面根據(jù)計(jì)算速度要求和模型復(fù)雜程度選擇計(jì)算尺度。在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員可以從宏觀層面基于層積模型（固有應(yīng)變）進(jìn)行快速的建模和求解，從而進(jìn)行工藝參數(shù)和打印策略合理性等的定性分析。在設(shè)計(jì)的中后期，設(shè)計(jì)人員還可以從微觀層面出發(fā)進(jìn)行完整的、高精度的瞬態(tài)熱機(jī)耦合分析模型的建模和計(jì)算，獲得更為準(zhǔn)確的對最終形狀、殘余應(yīng)力等的預(yù)測結(jié)果。圖14.利用像素網(wǎng)格快速建模 圖15.高效率的宏觀計(jì)算結(jié)果通過Simufact.AM設(shè)計(jì)人員不僅可以在工藝設(shè)計(jì)階段虛擬再現(xiàn)整個(gè)增材制造過程，預(yù)測結(jié)構(gòu)的變形和最終形狀、殘余應(yīng)力的分布，幫助檢驗(yàn)當(dāng)前所采用的材料、打印策略是否滿足設(shè)計(jì)和使用要求；Simufact.AM還能夠根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自動(dòng)計(jì)算和建議并建立支撐/支持結(jié)構(gòu)，能夠在進(jìn)行物理試制之前及時(shí)地發(fā)現(xiàn)由于不合適的打印策略和工藝參數(shù)設(shè)置可能帶來的產(chǎn)品的加工缺陷等。為企業(yè)節(jié)約材料、場地等的成本投入和用于物理試制等的時(shí)間和人力成本的投入。圖16采用不同的支撐/支持設(shè)計(jì)對應(yīng)的仿真結(jié)果對比一變形與此同時(shí)，MSC公司另一個(gè)在金屬加工成型仿真分析領(lǐng)域的主要產(chǎn)品Simufact.welding可以模擬基于送粉、送絲方式的金屬材料激光3D打印過程。Simufact.welding可以虛擬再現(xiàn)金屬材料的激光3D打印過程，預(yù)測3D打印過程中以及打印結(jié)束后的結(jié)構(gòu)的變形和最終形狀、結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，并可以對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行金相組織轉(zhuǎn)變、晶粒尺寸的計(jì)算，同時(shí)可以進(jìn)行支持/支撐結(jié)構(gòu)（位置、強(qiáng)度/剛度）的輔助設(shè)計(jì)。圖17Simufact.welding3D打印仿真分析案例通過Simufact.welding設(shè)計(jì)人員不僅可以在工藝設(shè)計(jì)階段虛擬再現(xiàn)整個(gè)3D打印過程，預(yù)測結(jié)構(gòu)的變形/最終形狀、殘余應(yīng)力的分布等，幫助檢驗(yàn)當(dāng)前所采用的材料、打印策略、支撐支持的設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，還能夠在進(jìn)行物理試制之前及時(shí)地發(fā)現(xiàn)由于不合適的打印策略可能帶來的產(chǎn)品的加工缺陷等。為企業(yè)節(jié)約材料、場地等的成本投入和用于物理試制等的時(shí)間和人力成本的投入。增材制造技術(shù)面臨著從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)階段的眾多挑戰(zhàn)。部件廠家和領(lǐng)先的增材制造研究人員已將以下因素確定為造成增材制造產(chǎn)品設(shè)計(jì)及售后性能不佳的一些關(guān)鍵指標(biāo)。.缺乏對增材制造過程的材料生命周期的管理；.對影響材料性質(zhì)的制造可變性所進(jìn)行的研究不準(zhǔn)確；.打印機(jī)、工藝控制參數(shù)變化范圍大，影響了增材制造部件的質(zhì)量。MSC公司的材料中心（MaterialCenter）是下一代的材料生命周期管理系統(tǒng)，已針對材料數(shù)據(jù)、工藝管理過程進(jìn)行了優(yōu)化，解決了增材制造生命周期階段的“試驗(yàn)過度”及“試驗(yàn)不足”問題。這一現(xiàn)成的商業(yè)解決方案已應(yīng)用了20多年（以前稱為mVISION），它集方法原理、扎實(shí)的技術(shù)和先進(jìn)的統(tǒng)計(jì)工具于一身，改善了增材制造部件和總成的最終質(zhì)量。材料生命周期管理（MLM）是產(chǎn)品生命周期管理（PLM）的子集，在項(xiàng)目與信息項(xiàng)屬性之間以及“試驗(yàn)之前”、實(shí)際試驗(yàn)周期及“試驗(yàn)之后”信息項(xiàng)本身之間提供了關(guān)聯(lián)。因此它直接解決了復(fù)雜環(huán)境中的數(shù)據(jù)可追溯性問題。這是由于系統(tǒng)為每個(gè)流程步驟保存了信息創(chuàng)建流程譜系。數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)為人和計(jì)算機(jī)均可解讀的信息結(jié)構(gòu)，由此可判定每個(gè)信息項(xiàng)的確切背景。圖18舉例說明了材料生命周期管理的各個(gè)生命周期階段。圖18.材料生命周期管理傳統(tǒng)的材料生命周期管理系統(tǒng)無法解決增材制造工藝帶來的難題。下一代材料生命周期管理系統(tǒng)專門針對這種情況進(jìn)行架構(gòu)的開發(fā)和實(shí)施，可解決增材制造過程中從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)階段的各種問題。高級的材料生命周期管理系統(tǒng)還能將增材制造整合到實(shí)物和虛擬試驗(yàn)以及CAE、PLM/PDM中。以下列舉了其眾多功能中的一部分。.完整增材制造工作流程與審批手續(xù)整合；.各個(gè)生命周期階段期間的材料可追溯性；.實(shí)物/虛擬制造及試驗(yàn)的增材制造機(jī)器的數(shù)據(jù)/過程管理；.支持第三方軟件及數(shù)據(jù)庫開放接口的過程引擎；.支持PDM/CAD/CAE/EAM/MES獨(dú)立系統(tǒng)；.源于/用于CAD和CAE解算器的導(dǎo)入/導(dǎo)出；.公司實(shí)體范圍內(nèi)/外的安全及可控的數(shù)據(jù)交換。圖19源自在賓夕法尼亞州立大學(xué)和美國陸軍所進(jìn)行的多年研究建立的一種企業(yè)級可擴(kuò)展的下一代材料生命周期管理系統(tǒng)?；诰W(wǎng)絡(luò)的直觀界面使工程部門能夠?qū)Σ牧匣虿考?打印機(jī)/流程/增材制造行為進(jìn)行虛擬化。其集成框架可為指定部門向其他利益相關(guān)方提供精確的信息傳輸。其中包括金屬/非金屬/塑料的增材制造流程。可將該系統(tǒng)當(dāng)作制造屬性/機(jī)器以及流程鑒定參數(shù)的資料庫。圖19.增材制造的材料生命周期管理系統(tǒng)它的內(nèi)制模板可構(gòu)建或?qū)氩牧?打印機(jī)/工藝/試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)利用Excel集成來映射并導(dǎo)入用于增材制造及各種試驗(yàn)方法的定制模板。例如：.增材制造電子束沉積；.增材制造定向激光