MSC 软件增材制造技术解决方案

CAE大拿

MSC增材制造技术解决方案

MSC 软件公司是全球工程生命周期管理的领军者，MSC愿与您分享部件和总装件的增材制造相关的仿真经验及专业知识。

MSC 软件与许多行业合作伙伴协作，开发出了一整套工具，可应对增材制造中的设计挑战和工艺优化。其目标是：在产品制作和仿真过程中提供重要组成部分的确切定义、首选的顺序/流程，明确对数据模型/结果的辨别，以及与控制过程无缝集成的工具。还可以利用所有的存储数据来指导全新产品的研发工作以及新技术的开发。

概   要

从历史上看，传统的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的原材料转变为成品。这些技术采用沿用已久的设计/加工方法、工装、设备（例如铸造车间、车床、CNC 等）、生产活动及步骤。增材制造是对传统制造方法的伟大变革，俗称3D打印。增材制造作为一种现代化的制造技术，它可以基于计算机辅助设计（CAD）模型逐层制作出三维（3D）物体。

全球增材制造市场包括 3D 打印机、材料及服务提供商。其应用领域面向快速样机构建及快速制造。到 2020 年，整个市场（不包括材料）的价值有望达到 114 亿美元；预计2016 至 2020 年间，年增长率将达到 21.0%。

全球增材制造市场及主要行业分布

增材制造工艺

二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类别工艺（即“增材制造”）的需求。2016 年 3 月 3 日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的 SHIPTECH 2016 会议中，Concurrent Technologies 公司的 Kenneth Sabo 介绍了增材制造工艺的优势与挑战。

增材制造工艺的优势/挑战概览

增材制造技术通常应用于以下产品：

• 模具制造；
• 通过拓扑优化减轻重量；
• 支架/工具/夹具；
• 图案；
• 定制总成配件；
• 小批量生产。
  
  

增材制造与减材制造对比

澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造重点技术主管 Swee Mak 博士在 2014 年 6 月 4 日的 Hunter 研究基金会会议上展示了下图。他提出：“采用增材制造方法对一整块成品材料进行加工以制造出最终产品，与传统的减材制造方法相比，不仅速度快、能耗低，而且减少了废料。”

增材与减材制造对比

在增材制造领域，能够制作出全新水准的几何形状复杂的物体，这使得采用常规制造方法无法完成或者代价极高的功能性设计成为可能。将增材制造应用于金属或塑料部件的生产，可实现新颖、轻量化的设计，并有可能只需较少的部件。

增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战

过去 25 年间，增材制造技术突飞猛进。但是，与材料、设备、机器/工艺变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件需要考虑的主要因素。

Concurrent 技术公司（CTC）总监 Kenneth Sabo 先生在ShipTech 2016 年会上发表演讲并对 CTC 的研究进行了总结。下图展示了增材制造从设计到生产阶段的各种挑战。

增材制造从设计到生产阶段的各种挑战

从设计到生产阶段的各种挑战包括材料特征化、打印机鉴定及工艺变化。大多数大中型美国制造商都要日复一日地处理上述难题。他们提到的一些关注点如下：

1.  增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？

2.  采用增材制造技术是否是明智之举？

3.  我应当对物流/供应商提出哪些建议？

4.  什么是关键变量的灵敏度矩阵？

5.  表面为何会过于粗糙或过于精细？

6.  粉末废品率为何会如此之高？

增材制造从设计到生产的工作流程

增材制造是根据计算机辅助设计（CAD）来生产三维物体的过程。在增材过程中，通过分层连续铺设材料的方式创建物体，直至打印出整个物体。第 1 步到第 8 步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程。下图展示了典型的增材制造工作流程。

典型的增材制造工作流程

现在有许多商用 3D 打印机制造商。典型的 3D 打印机如下图（左）所示。典型的构建托盘和打印头如下图（右） 所示。

  MakerBot Replicator 2 型增材制造设备               典型增材制造设备构建托盘及打印头

MSC 软件的应用：

全面的增材制造仿真框架

过去十年间，MSC 软件与各行业协作推出了创新的分析框架，其中包括先进的多尺度、基于多物理场的分析仿真工具。该框架集 3D 增材制造部件的功能/制造约束、成本函数及虚拟仿真于一身，旨在实现优质的生产能力。

Honeywell 公司负责 DARPA 开放式制造计划的首席研究员 Alonso Peralta 于 2016 年提出过如下内容：

“…残余应力和变形随着制作条件和制作方式而变化。残余应力并不是等双轴应力。事实证明，在制作细长结构时，分析（仿真）预测起着重要作用，这是由于层间的过度变形会导致无法接受的与预期几何体之间的偏离…”。

MSC 软件公司的增材制造分析框架展示出具备下列能力：

• 管理生命周期各个阶段所有的客户功能需求；

• 存储所有的仿真流程及数据（模型及结果）；

• 所有材料属性、工艺及设备、加工/制作信息的中心数据库；

• 存储与增材制造部件有关的各种类型的试验及质量控制信息；

• 将优化出的优质形态传回 CAD软件进行几何处理，从而实现最终的制造；

• 将所有的报告存档。

点对点增材制造仿真框架的工作流程

对增材制造工艺进行建模需要各种仿真能力，以应对热源形态、流体流动、微观结构相变、残余应力，以及变形、优化形态等。在增材制造工艺仿真中，工程师/设计师可以处理直径 10 至 25 微米级别的颗粒、长 40 至 80 mm 的物体以及长达一千米的激光路径。尽管热源只保持数微秒的接触时间，但整个制作过程有可能历时数天。

可将框架内仿真工具包（解决方案集）的全部能力细分为两个类别：（具体内容需查看完整解决方案）

1. 增材制造打印之前

2. 增材制造打印之后

增材制造框架分析组件

MSC 软件公司的框架由一组仿真工具组成，是下一代的企业级可扩展系统。基于网络的直观界面使工程部门能够对材料或部件/机器/工艺/增材制造行为进行虚拟化。该框架可为指定部门的各个相关方提供精确的信息传输。框架/工具的重要元素说明如下：

• 流程与数据管理：SimManager与 MaterialCenter
  
  

A. SimManager

该系统是一种仿真流程与数据管理系统（SPDM），集成了客户应用、商业工具以及内部开发的程序。它拥有可靠的跟踪记录，每天可管理数百个并发用户运行的数千个仿真及操作。不仅能在企业内部的所有信息孤岛之间安全地共享信息，还能在整个产品生命周期阶段将信息进一步扩展至供应链网络。

仿真流程与数据的管理

B. MaterialCenter

MaterialCenter是面向现在和将来材料数据及过程管理需求的完整解决方案。它能管理从实物试验到各种设计许用值的整个材料流程（整体工艺管理、自动可追溯性、强大的工作流以及批准流程等）。如下图为MaterialCenter的工作流程。

MaterialCenter 工作流程

• 有限元（FE）前\后处理： Patran 和MSC Apex
  
  

MSC 公司在业内领先的前\后处理器 Patran 和 Apex 可读取来自CAD 管理专家（例如 PDM 系统）的 3D 增材制造部件的 CAD 数据,并进行有限元网格生成,同时为后续分析对部件/总成进行必要的边界条件处理，对分析结果进行可视化的后处理。行业合作伙伴所使用的 MSC Patran/Nastran 工具包，可根据晶粒尺寸、形状、方位、纹理、空洞、晶界缺陷、多相及体积分数等自动生成 2D/3D 微观结构模型。该工具包能以较高的精度预测分布在每个晶粒中的微观应力及宏观应变。如下给出了用于微观结构建模及分析步骤的典型工作流。

微观结构建模及分析步骤的典型工作流

• MSC 分析工具：Simufact Additive、Simufact Welding、Digimat、Marc、Nastran 及 Fatigue
  
  

可利用 MSC 的分析工具（Simufact Additive、Simufact Welding、Marc、Digimat、Nastran 及 Fatigue）在 3D 增材制造部件的各个生命周期阶段（从概念到维护）进行各种形式的仿真工作。通过一系列的仿真及“假设”研究得到最优的设计形状及尺寸，并将信息传回 CAD 系统进行后续处理。

A. Simufact Additive、Simufact Welding:

Simufact系列产品是 MSC 软件公司用于金属工艺制造领域的仿真分析旗舰产品。它能仿真金属增材制造过程中的虚拟制造工艺。基于阶段性模型提供多尺度方法，同时考虑到柔性材料的数据结构。它充分利用了 Marc 的求解器的先进技术，并可为建模、求解及结果查看提供统一的平台。

Simufact Additive、Simufact Welding 配备有业界领先的常用增材制造材料（内置）数据库。其中一些金属材料如下：

1. 钛合金（TiAl6V4、TiAl6Nb7 及纯钛）；

2. 钴铬合金类（CoCrMo）；

3. 镍合金（Inconel 625、718、939）及哈氏合金 X（Hastalloy）；

4. 铝合金（AlSi10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlSi9Cu3）；

5. 钢类（1.2709、17-4PH、15-5PH、316L）。

B. Digimat:

MSC 软件公司的 e-Xstream 工程团队在 Digimat 软件包中开发的仿真工具可用于两种特定的塑料增材制造应用：

1. 选择性激光烧结（SLS）；

2. 熔融沉积建模（FDM）

Digimat 配备有 10,000 多种材料（增强塑料）属性及微机械分析特征的大型数据库。这是基于多年的经验积累、实验室协作试验以及由公开渠道获得的认证过/验证过的数据。

C. Marc:

出于多种原因，有限元分析师采用 Marc非线性算法来研究增材制造工艺。其中的原因有：

• 处理非线性制造工艺的超强能力；

• 加速性（DDM、性能）；

• 直接的层及单元激活(生死单元技术)；

• 直接激光扫描路径设置及参数设置；

• 温度相关的热-结构耦合能力及塑性模型；

• 瞬态的热-结构耦合分析。

Marc 的最新应用包括对增材制造部件的切削加工和表面处理进行仿真。

D. MSC Nastran和Fatigue：

可使用 MSC Fatigue 研究增材制造部件的下列疲劳问题：

1. 高周（S-N）与低周（E-N）疲劳寿命；

2. 采用 Palmgren-Miner 法则进行变形和损伤分析；

3. 采用 Paris 定律的裂纹萌生及裂纹扩展；

4. 用虚拟应变片进行试验-解析比对；

5. 采用随机载荷的振动疲劳；

6. 非比例多轴应力状态评估；

7. 多个并发载荷及多次事件；

8. 安全因子分析。

作为小总成或大总成的一部分，任何给定的增材制造部件在经过一段时间后都有可能存在配合/光洁度、公差及功能性能问题。有限元分析师可对所有此类问题进行仿真，并使用 MSC 软件公司赫赫有名的分析工具包 MSC Nastran 预测给定增材制造部件的耐用性和噪声、振动及声振粗糙度。可将其用于下列仿真：

1. 高Von Mises应力区及最大变形区；

2. 增材制造部件及总成的噪声与振动效应；

3. 出现屈曲的区域；

4. 拓扑、尺寸和形貌优化。

最近，MSC Nastran 被用于对钛合金材料的航空航天发动机连接接头增材制造部件进行线性静态及屈曲行为的仿真和拓扑优化。 MSC Nastran SOL 200 拓扑优化可将增材制造部件的重量降低 70%，同时保持与初始设计相同的静态（应力和变形）及屈曲表现。

结束语

在过去 25 年间，增材制造已从快速样机处理成长为一系列先进技术，为全球越来越多的企业、政府机构及个人客户所采用。但它在制作优质部件时始终面临着难题，对此可借助一些商业系统来辅助解决所有的缺陷。

MSC 软件公司的增材制造点对点仿真框架已成为解决增材制造难题的“中坚力量”。该系统不仅能应用于增材制造产品整个开发生命周期（设计、开发、仿真/样机构建、试验及售后性能）的各个阶段，还涵盖了从概念到维护过程中涉及的全部材料/机器设备/工艺/制作鉴定。

增材制造从部件设计到部件性能分析的各个阶段

详细的方案请点击如下链接查看：
http://www.mscsoftware.com/sites/default/files/msc_zeng_cai_zhi_zao_ji_zhu_3dda_yin_jie_jue_fang_an_.pdf