3D打印 / 增材制造仿真是一个广泛的概念,从打印材料熔化,到刀具路径,再到打印后处理工艺,整套3D打印制造流程几乎都可以通过仿真软件进行模拟。借助仿真的力量,3D打印零件的设计能够得到优化,打印失败的情况也将减少。但是由于仿真技术能够涵盖到整个3D打印过程,市场上各种3D打印仿真软件的应用侧重点也是不同的。本期,3D科学谷整理了几款3D打印仿真软件,从中我们可以看到这些软件所实现的不同仿真功能。

ANSYS

ANSYS (视频)增材制造仿真技术的聚焦点是金属增材制造工艺,包括粉末床熔融和定向能量沉积两种。

ANSYS
ANSYS AM 工作流程

ANSYS 面向增材工艺设计的仿真解决方案包括:面向产品设计人员的工艺仿真软件ANSYS Workbench Additive; 面向工艺工程师的ANSYS Additive Print; 面向金属增材制造专家、工程分析师、材料科学家、设备、粉末制造商的ANSYS Additive Science。

ANSYS 打印仿真

ANSYS增材制造仿真的应用价值体现在改善、减少和开发几个方面。改善,包括改善金属增材制造设计流程、对工艺过程的了解、机器生产效率、材料利用率、可重复性和质量;减少,包括减少打印失败,打印时间,不合格零件,后处理,试错,设备维护和对环境的影响;开发,包括开发新材料,新机器,新参数,个性化微观结构和期望的材料属性。

Amphyon

Amphyon (视频)的仿真技术也是专注于金属增材制造,特别是激光熔融增材制造技术

Amphyon

Amphyon 仿真模拟的领域是打印预处理和生产自动化,软件能够帮助金属增材制造用户预测和避免零件在3D打印过程中发生变形,减少许多与金属3D打印相关的常见问题,包括裂纹、表面质量差、密度不足等问题。开发Amphyon 仿真软件的Additive Works公司与Altair建立了合作关系,Altair HyperWorks软件用户可以使用Amphyon 。

Simufact Additive

Simufact Additive的仿真模拟涵盖构建过程模拟以及后续一系列增材制造步骤的模拟。

Simufact Additive
Simufact Additive 位移分析

构建过程的模拟包括:帮助用户识别最佳构建方向,自动补偿最终零件变形,自动优化支撑结构并识别制造问题,如裂缝。Simufact Additive 还能够对金属3D打印零件如何经历热变形进行模拟,从而在设计时热变形做出补偿。Simufact 表示,这一功能使失真的位移减少50%,金属增材制造商无需通过3D打印件进行测试。

对后续一系列增材制造步骤的模拟包括:热处理,打印底板切割分离,去除支撑和热等静压。Simufact Additive 能够和Materialise Magics以及3D打印设备厂商的构建准备软件(例如雷尼绍的QuantAM)衔接。

Netfabb

Autodesk的Netfabb系列产品可用于模拟粉末床熔融金属增材制造。Netfabb以其创成式设计功能著称,但该软件还包含与增材制造相关的一系列功能:

Netfabb
Netfabb 位移分析
  • 将CAD文件快速转换成可编辑的STL文件
  • 编辑和优化3D打印模型的工具
  • 预测金属零件的结构应力和变形的仿真能力
  • 可增加支撑结构,并能将零件添加到打印件上的构建支持模块
  • 增强零件和实现轻量化的创成式设计工具
  • 一种先进的刀具路径引擎,可通过诸如打印速度、聚焦和激光或者电子束功率等参数优化零件和打印效率

Netfabb产品系列包括三种软件:Netfabb Premium,Netfabb Ultimate和Netfabb Local Simulation。其中,Netfabb Premium 为用户提供基于云的仿真模拟功能,Netfabb Ultimate提供所有云功能,并引入了使用本地计算资源执行模拟的能力,具体取决于模拟部件的复杂性和大小。

GENOA 3DP

与多数只专注于金属增材制造仿真的软件不同,GENOA 3DP支持聚合物,金属和陶瓷的虚拟仿真和分析。该软件模拟与增材制造零件构建相关的材料和工艺参数,为用户提供了导入STL文件/ G代码的能力,生成结构网格的能力,以及运行分析并优化构建,以减轻重量,降低废品率。

GENOA3DP
GENOA 3DP的失败分析

GENOA 3DP的特征包括预测残余应力,变形和分层;并预测断裂,失败类型,以及每种失败因素所占比例。

GENOA 3DP公司表示,结合了非均匀化热结构材料模型和多尺度渐进式失效分析,软件可以准确预测在增材制造构建过程中可能出现的空洞、分层、偏转、残余应力,损伤和裂纹扩展。

FLOW-3D

FLOW-3D 仿真软件除了能够模拟金属直接3D打印工艺,如粉末床熔融和直接能量沉积,还能够模拟粘结剂喷射3D打印工艺。

Flow 3D
FLOW-3D 粉末扩散模拟

在粉末床熔融工艺的仿真模拟中,FLOW-3D软件考虑了粉末填料,功率扩散,激光熔化粉末,熔池形成和凝固,并依次重复这些步骤进行多层粉末床熔合工艺仿真模拟。多层模拟可以保存先前固化层的热历史,然后对扩散到先前固化床上的一组新粉末颗粒进行模拟。FLOW-3D可以评估固化床中的热变形和残余应力,也可以将压力和温度数据输出到其他FEA软件中。

Flow 3D 1
FLOW-3D 模拟熔池生成

FLOW-3D可以模拟粉末扩散和填充,激光/颗粒相互作用,熔池动力学,表面形态和随后的微观结构演变。这些详细分析有助于用户了解工艺参数(如扫描速度,激光功率和分布以及粉末填充密度)在影响3D打印部件的构建质量方面的作用。在粘结剂喷射3D打印仿真模拟中,FLOW-3D软件能够模拟树脂渗透情况以及在粉末床中的横向扩散。

Materialise

Materialise 在其Magics 软件中集成了Simufact的仿真功能,金属3D打印操作人员无需在数据准备软件和仿真软件之间来回切换,即可利用仿真结果来修改部件的摆放角度和支撑。这个仿真模块易于使用,它不是一个研究工具,而是一个可以在日常运用的生产工具。

通过使用Magics中的仿真功能,用户可以快速发现并解决加工中的问题,降低加工失败的风险。这有助于提高金属增材制造的效率,从而改善运营利润。

Materialise simulation
Magics 软件中的仿真模块

Magics Simulation模块作为现有软件中的完全嵌入式集成仿真模块,用户无需在不同软件包之间进行更换就可以使用仿真。

Magics 仿真模块专注于金属增材制造仿真,采用基于Simufact仿真技术的机械固有应变方法,包括应变校准[和]模拟作业管理系统。它还具有无缝集成的可视化工具,如(反)变形,收缩线和重涂冲突和根据模拟结果调整支撑的能力。

Materialise 计划进一步通过仿真来自动推动金属增材制造工作流程,例如优化支撑结构,零件摆放方向,切片等,帮助3D打印用户将打印设备的容量使用最大化。3D科学谷了解到,未来,Magics软件集成的仿真模块将具有局部热的捕获功能,发布与热相关的构建扭曲。

西门子

开发一个新的金属3D打印零件往往需要进行多次尝试,但金属打印机和打印材料非常昂贵,从经济角度来看,用户没有太大的错误或返工空间。当金属3D打印作为一种工业生产技术时,保证初次打印时就获得成功则非常重要。

通过仿真技术对整个零件的构建过程进行模拟是实现这个目标的重要手段。对于整个构建过程的模拟包括模拟零件之间的热交互,支撑结构和残留粉末。此外,通过仿真模拟考虑对设计的几何调整以及抵消在构建过程中产生的热变形所必需的支持也很重要。

SIEMENS Simulation

左图为仿真预测的打印失真情况,右图为原始CAD模型与实际3D打印叶片的3D扫描结果之间的偏差比较分析结果。

西门子仿真软件的特点在于,采用务实的方法,模拟基于混合微观结构数据集,该数据集结合了计算和经验信息。这种方法能够校准过程,以持续改进模拟结果。西门子还看到了设计、仿真与增材制造之间自动化相互作用的价值,他们认为这将最大限度的减少首次打印零件的工作量。

增材制造仿真是西门子软件中一个比较新的模块,因此西门子仍持续研究增材制造仿真技术。例如,研究仿真精度和方差,与用户合作测试过程模拟的准确性,如何通过识别局部过热区域和调整这些区域的打印过程来抵消打印失真。

此外除了粉末床金属增材制造仿真,西门子还在开发塑料3D打印工艺、金属DED工艺,以及喷射工艺的增材制造仿真技术。

e-Xstream

e-Xstream 在2013年被仿真软件公司MSC Software Corporation收购。e-Xstream仿真技术的强项在于复合材料和结构多尺度建模,该公司专注于开发聚合物和复合材料3D打印仿真技术。

根据3D科学的市场研究,e-Xstream 本身是材料建模公司,其 Digimat 材料建模技术是e-Xstream 多尺度建模和非线性微观力学方面与大学、研究中心、企业进行了15年的协作研发的成果,3D打印复合材料仿真技术也是在这个基础之上推出的。

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Digimat-AM中的翘曲分析

基于其Digimat材料建模技术和MSC有限元技术,e-Xstream 开发了一种综合增材制造解决方案,结合材料工程,工艺模拟和结构工程,以解决增材制造行业面临的主要挑战。

e-Xstream 拥有270多个等级和14,500个Digimat材料模型,并拥有复合材料模型数据库Digimat-MX。3D科学谷了解到,e-Xstream 正在为该数据库不断补充3D打印现成材料和打印机型号,如Solvay KetaSpire PEEK(用于熔融沉积成形工艺),Stratasys ULTEM9085和1010(用于熔融沉积成形工艺)或Solvay Sinterline 粉末(用于选区激光烧结工艺)。

在材料方面,e-Xstream正在扩展其材料工程工具(Digimat-MF和Digimat-FE),以便对3D打印材料进行虚拟复合,并模拟打印材料的行为。将过程各向异性考虑在内的先进材料模型,将通过Digimat-MX材料交换数据库进行构建、存储和提升。通过以上功能,3D打印用户能够减少对打印件物理测试的需求,了解推动材料行为的关键参数,并轻松创建新材料系统,例如轻量化的点阵结构。

在工艺方面,Digimat-AM 是一个针对FDM、SLS 增强复合材料3D打印的过程仿真软件解决方案,其作用是预测翘曲和补偿失真等打印问题。工程师能够通过工艺仿真技术评估参数设置对零件翘曲的影响,从而来更好地理解和优化打印工艺。

在性能方面,e-Xstream正在优化其Digimat-RP结构分析仿真技术。Digimat-RP 仿真技术的作用是,通过预测3D打印零件的性能(刚度、弹性等)来验证3D打印设计,例如刀具路径或构建方向。

DassaultSystèmes(达索)

达索在3DEXPERIENCE平台中集成了3D打印仿真功能,包括:创成式设计、增材制造程序员、增材制造研究员和逆向形状优化器。用户可以在平台中无缝的使用设计、制造和仿真功能。

Dassault AM workflow
3D EXPERIENCE平台中的一种增材制造工作流程

其中,创成式设计为用户提供定制的拓扑优化设计,以解决特定的增材制造约束,“一键”实现从拓扑优化结果到几何的平滑过渡。增材制造程序员则允许用户在虚拟机上进行打印准备,打印零件摆放,优化支撑,生成刀具路径。增材制造研究员为失真,残余应力和微观结构预测提供热机械和本征应变模拟。逆向形状优化器可根据预测的失真进行形状补偿。

在达索的软件环境中,完整的数字线程可以连接设计优化,几何重建,构建规划,过程仿真和后处理以及在线仿真。基于Abaqus求解器,达索提供可定制的仿真技术,包括多种3D打印工艺的仿真,如:粉末床熔融、直接能量沉积、材料沉积、材料喷射。

COMSOL

COMSOL 拥有多物理场仿真技术,COMSOL Multiphysics 结合了最常见的附加产品,包括结构力学模块,非线性结构材料模块和传热模块。COMSOL的部分用户还选择使用电磁学和化学分析模块。

结构力学模块可以通过一种称为材料活化的技术处理无应变状态的材料沉积,该模块通常与传热模块一起使用,以便在材料沉积的同时进行更高级的热分析。该模块主要用于金属3D打印,但偶尔也用于塑料3D打印。该模块拥有通用工具,可用于增材制造过程所需的刀具路径模拟。

叶轮在底板上的位移图

COMSOL 有部分客户是增材制造设备厂商,他们使用COMSOL Multiphysics 仿真技术进一步了解专有增材制造工艺背后的物理现象,进一步开发其3D打印工艺,以及研究如何改变物理过程,以提高打印零件性能。

COMSOL Multiphysics 还为用户提供了便利的仿真模型分享功能。由于许多公司将建模团队划分成设计和仿真两个业务组,各组内的人员可以发挥其自身技术优势。然而这种做法会让部件的设计和分析之间缺乏有效沟通。

COMSOL Multiphysics 的用户英国考文垂制造技术中心的仿真工程师就将仿真模型封装成简明易用的仿真 App,以此来消除两个团队之间的交流障碍。设计工程师无需接触复杂的底层仿真模型,也能在操作界面中运行测试。这大幅简化了对新零件性能的评估过程,设计工程师现在无需求助仿真专业人员,也能方便地对参数进行调整。该仿真 App是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”创建的,可以针对指定零件显示其最终形状、变形和应力水平的仿真结果。

参考文献

[1] http://www.51shape.com/?p=12942

[2] http://www.51shape.com/?p=13298

[3] http://www.3dhoo.com/news/guowai/29954.html