案例分享|通过仿真预测Markforged增材制造产品的性能

CAE大拿

Markforged提供独具特色的复合材料增材制造（AM）方案，由基础工程塑料（通常是Onyx）以及与金属强度相当的连续纤维组成。当使用复合材料进行产品设计时，如何确保设计即能够满足零件技术要求又不产生过设计呢？

Markforged和Hexagon | MSC Software合作解决以上问题。 增材制造行业的业内人士都认同最终零件的性能高度依赖于增材工艺，这给航空航天等高端行业对 “材料-打印机-打印过程-部件产品”这一整体的认证带来了限制。对于金属和复合材料，都需要建立起材料参数与最终零件力学性能间的关联性。对于金属，零件的力学性能会受到成型方向、表面粗糙度和孔隙率的影响。对于连续纤维增强复合材料，决定纤维方向的打印路径是影响力学性能的最主要因素。

这正是Hexagon | e-Xstream Engineering所做的工作：回归制造，了解材料的工艺（定义其微观结构），并通过“集成计算材料工程”（ICME）方法准确地预测材料的特性和部件的设计性能。作为复合材料建模行业的领导者，我们在16年前就开始开发材料建模平台Digimat。我们的技术使客户能够进行注塑成型仿真，预测零件中各处的纤维取向，并联合有限元分析（FEA）仿真，根据材料的微观结构得到宏观力学性能。同样地，可以把这个流程扩展到增材领域。此项工作来源于我们与Danfoss的合作。作为全球移动设备液压与电子方案的领导者， Danfoss意识到增材也需要使用与传统制造过程中相同的验证工具，并建议我们与Markforged合作开发。他们还提供了待评估和测试的零件。该零件之前采用铝材制造，为一组装过程中抬起外壳铸件的支架。使用增材制造，有以下这些优势：

•        与传统制造工艺相比，更易制作出与外壳形状匹配的特殊几何形状

•        通过快速设计迭代，能找到牢固固定泵的设计，并且不产生其他方向的抬起力

      •        之前类似装置均由铝机加而成

对Markforged所用复合材料进行建模是一项真正的挑战，因为零件通常由以下材料制成：

      •        Onyx外壳(致密层 / 微珠决定零件外表面)
      •        轻质填充物 (例如，为了节省时间和材料，填充内部的三角形样式)
      •        两层增强材料（Onyx基材中的短切碳纤维以及 碳 / 玻璃 / 凯夫拉连续纤维）

这就需要一种多尺度建模方法来考虑微观尺度上对宏观材料特性的影响。为了应对Danfoss给出的挑战，我们建立了零件的有限元（FE）网格，并定义了载荷和相应的边界条件。 然后，和Markforged一起，对Onyx和复合材料进行了一个测试。 对力学测试数据的分析用于了解材料确切的工作特征 — 即由打印路径和材料微观结构而导致的刚度与强度的各向异性。 在对实验数据进行后处理时，校准了两个Digimat的材料模型，并且获得了受打印方向影响的材料失效模型。

最后，三角形填充已经在Digimat中进行了虚拟测试，在填充物的代表单元上进行了单独的有限元分析。对材料进行表征后，仿真需要第二个关键元素：制造数据 – 该实验中是打印路径。 由于使用Eiger软件，因此开发了专用界面，将制造数据导出到Digimat，然后进行读取、分析并转换为适合仿真的格式，并将其映射到结构有限元网格。至此，Digimat-FEA耦合分析已准备就绪。

Danfoss的起重工具已经在英斯特朗测试机上进行了失效测试。 由纯Onyx材料制成零件的仿真结果与实验结果非常吻合：准确地预测了失效位置（靠近施加载荷的孔），仿真预测的最大承载力比物理测试小了25％ 。

当然，研究将持续进行以提高仿真精度。 我们可以想象在没有进行物理测试的情景下（我们不想测试每个零件）：仿真结果表明零件实际上能承受技术要求的四倍载荷（即安全系数=5），这还是在没有采用连续纤维增（CF）强的情况下！毫无疑问，在减重和降本方面潜力巨大。

该故事仅仅是激动人心旅程的开始，上述仿真功能将集成在Digimat 2020.0平台中。 用户还将受益于工艺仿真，能够更好地了解如何控制FFF打印过程。 从中期来看，可以预见Markforged和MSC之间的更多合作。Hexagon是传感器以及测试软硬件的全球领导者，为数字连续性方案铺平道路。

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