增材制造過(guò)程工藝模擬立項(xiàng)報(bào)告2

關(guān)鍵技術(shù)：1.增材制造過(guò)程工藝模擬3D積”成型原理，根據(jù)零件的CAD模型進(jìn)行切片分層處理，采用數(shù)控系統(tǒng)控制工型復(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(lái)生產(chǎn)制造三維物體的過(guò)程。在增材制造11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/如鑄造車間、車床、CNCAM）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。圖圖圖澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的未來(lái)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圖5全球增材制造市場(chǎng)包括3D打印機(jī)、材料及服務(wù)提供商。到2020年，整個(gè)市場(chǎng)（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(zhǎng)率為21.0%。圖（a）和圖（b）列出了全球增材制造市場(chǎng)近年的發(fā)展及主要行業(yè)的市場(chǎng)占有率。圖圖求。2016年3月3日，在美國(guó)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(shì)與挑戰(zhàn)。表1給出了增材制造工藝的優(yōu)勢(shì)/挑戰(zhàn)概覽。表1）關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)過(guò)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從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)階段的各種挑戰(zhàn)來(lái)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(kù)。行業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)整體遷移來(lái)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(wú)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%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(wèn)題。打印機(jī)/工藝/重復(fù)性。需要對(duì)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(guò)進(jìn)行一系列的“假設(shè)”研究和統(tǒng)計(jì)分析來(lái)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。的一些關(guān)注點(diǎn)如下：1.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？2.采用增材制造技術(shù)是否是明智之舉？3.我應(yīng)當(dāng)對(duì)物流/供應(yīng)商提出哪些建議？4.什么是關(guān)鍵變量靈敏度矩陣？5.表面加工為何會(huì)過(guò)于粗糙或過(guò)于精細(xì)？6.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(lái)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(guó)內(nèi)外進(jìn)展和水平2.1）增材制造技術(shù)現(xiàn)狀進(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?？湛凸旧a(chǎn)的軍用“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)，使用了3D2016年是鈦合金3D2018年每月將有30-353D打印技術(shù)，在沒(méi)有任何實(shí)體打印平臺(tái)的情況下，實(shí)現(xiàn)360度無(wú)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生產(chǎn)商MORRIS20142015年2月獲得FFAGE進(jìn)一步推出了3D82015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(guó)際空間站，之后再由國(guó)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打美國(guó)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2.5m130Kg已經(jīng)在F22及F18E/F上得到批量使用。圖8圖95`制造工藝和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上取得了可喜的成果。北航的王華明教授于1995開(kāi)始金屬激光增材制造的研究，為國(guó)產(chǎn)C919J15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51.2米x1.2光燒結(jié)快速制造領(lǐng)域世界領(lǐng)先水平。3D工藝方法要走的路還很長(zhǎng)。增材制造除了不具備規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)以外，材料/功能/變形控制等都是影響增材制造發(fā)展和完善的瓶頸。2.2）增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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。航天航空工業(yè)可能產(chǎn)生顛覆性的影響。無(wú)6539圖10從塑料裝飾件向結(jié)構(gòu)主承力件發(fā)展圖11.增材制造的產(chǎn)品對(duì)比金屬增材制造對(duì)于少批量產(chǎn)品具有減少模具成本，降低全壽命成本的優(yōu)勢(shì)，門得到應(yīng)用，但在民機(jī)領(lǐng)域尚無(wú)應(yīng)用。還需在拋光，噴丸，等靜壓等后處理方法上突破，以提高增材制造產(chǎn)品的致密度和均勻性進(jìn)而提高產(chǎn)品的疲勞壽命。量控制與適航審定能力（詳見(jiàn)表2工藝研究制備技術(shù)：制定工藝參數(shù)，粉末質(zhì)量保障，設(shè)備穩(wěn)定制備穩(wěn)定/可靠的零部件性保障熱處理技術(shù)：消除產(chǎn)品的殘零件性能保障，批生產(chǎn)過(guò)余應(yīng)力，改進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)：減少零件量，降低裝配成本無(wú)損檢測(cè)噴丸，拋光，提高疲勞性能表2.3）增材制造的CAE仿真技術(shù)的現(xiàn)狀性，追求“一次成功”來(lái)降低廢品率，保證性能的可靠性上真正超過(guò)常規(guī)工藝方法等問(wèn)題上，需要建立一整套生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量檢測(cè)，安全論證的規(guī)范，以及快速CAE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(wèn)題的不可缺少的輔助手段和強(qiáng)有力工具。微小厚度（μm）和特定形狀的截面，然后通過(guò)激光把粉末熔化，再通過(guò)冷卻它CAE軟件不能滿足增材制造過(guò)程仿真分析的特殊性和技術(shù)開(kāi)發(fā)需求。增材制造的整個(gè)制造過(guò)程(粉末的熔化和凝固以及堆積CAE計(jì)開(kāi)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(shì)。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(lái)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,成型過(guò)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(lái)完善產(chǎn)品。目前急需能夠覆蓋整個(gè)工藝流程（圖12/快速計(jì)算的增材制造專用CAE仿真軟件問(wèn)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123）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(guò)程涉及很多復(fù)雜的工藝參數(shù)和設(shè)備等的條件，國(guó)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CAE分析工藝方案的分析和對(duì)比，制造出高質(zhì)量、滿足使用和性能要求的3D對(duì)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(duì)目前市場(chǎng)上已有的CAE分析工具進(jìn)行綜合全面的調(diào)研和試拓?fù)鋬?yōu)化增材制造過(guò)程虛擬仿真熱靜等壓處理切削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(kāi)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。1.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CAD進(jìn)行自動(dòng)切片,并具備對(duì)像素單元的自動(dòng)生成功能；2.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(duì)局部采用精密的微觀（）計(jì)算以準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行宏觀（）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154.增材制造過(guò)程的仿真計(jì)算結(jié)果與其它后續(xù)工藝過(guò)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；5.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(wú)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(guò)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(guò)前期對(duì)增材制造過(guò)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(guò)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)Simufact.AM//能性?！獔D圖圖3D打印仿真模型3D打印仿真結(jié)果—溫度（打印第一層）3D打印仿真結(jié)果—溫度（打印第n層）桌面支撐Baseplate3D打印仿真結(jié)果—變形baseplate分離后仿真結(jié)果—變形圖通過(guò)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(guò)程，預(yù)測(cè)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)行物理業(yè)節(jié)約材料、場(chǎng)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)。1.缺乏對(duì)增材制造過(guò)程的材料生命周期的管理；2.對(duì)影響材料性質(zhì)的制造可變性所進(jìn)行的研究不準(zhǔn)確；3.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。MSCMaterial驗(yàn)過(guò)度”及“試驗(yàn)不足”問(wèn)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18舉例說(shuō)明了材料生命周期管理的各個(gè)生命周期階段。傳統(tǒng)的材料生命周期管理系統(tǒng)無(wú)法解決增材制造工藝帶來(lái)的難題。下一代材制造整合到實(shí)物和虛擬試驗(yàn)以及CAEPLM/PDM中。以下列舉了其眾多功能中的一部分。1.完整增材制造工作流程與審批手續(xù)整合；2.各個(gè)生命周期階段期間的材料可追溯性；3.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(guò)程管理；4.支持第三方軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)放接口的過(guò)程引擎；5.支持PDM/CAD/CAE/EAM/MES獨(dú)立系統(tǒng)；6.源于/用于CAD和CAE解算器的導(dǎo)入/導(dǎo)出；7.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(guó)陸軍所進(jìn)行的多年研究建立的一種能夠?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//塑料的增材制造流程?？蓪⒃撓到y(tǒng)當(dāng)作制造屬性/機(jī)器以及流程鑒定參數(shù)的資料庫(kù)。TestDataManagementMaterialCenterCustomerrequirementReportbacktoCustomer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Excel集成來(lái)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：1.增材制造電子束沉積；2.增材制造定向激光束沉積；3.增材制造粉末層融合（圖204.增材制造熔融沉積造型；5.各種拉伸試驗(yàn)（斷裂韌度K1C6.——這些結(jié)果在材料生命周內(nèi)置的統(tǒng)計(jì)工具建立起材料生命周期各個(gè)階段的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系和可追溯性,如圖21（a）和圖21（b）所示。大大提高企業(yè)的核心能力,積累大量的各個(gè)環(huán)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù),健全企業(yè)的增材制造管理體系,從而保障產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,工藝參數(shù)的一致性。5）預(yù)期目標(biāo)在過(guò)去25技術(shù)始終面臨著各種難題和挑戰(zhàn)。先進(jìn)的CAE仿真技術(shù)以及材料生命周期的虛擬管理系統(tǒng)，能夠幫助企業(yè)提率，提高適航符合性。本研究擬達(dá)成的最終目標(biāo)是：1.模擬