一文读懂金属增材制造中的关键问题：支撑结构
发布时间：
2022-09-23 13:35
金属增材制造中使用的支撑结构无法回收，不仅耗费材料，也需要额外的构建时间，因此它们应尽可能的轻便，同时确保可以在构建过程中支撑部件。仿真支撑结构所承受的应力与变形一直是一件耗时的工作，因为必须对构建过程中部件加工产生的加热及冷却作用进行建模，才能判断支撑结构上的热固作用力。匹兹堡大学的研究人员研发出一种速度更快、更简单的仿真方法，能将求解时间缩短99%以上，同时保持所需的精准度。这首次使得使用基于晶格的拓扑优化，降低支撑结构重量变得可行，进而减少制造成本及时间成本。
支撑结构在金属增材制造中起着重要的作用，负责支撑悬垂几何结构，并在构建过程中用作从部件传导热量的路径。拓扑优化在最大限度减小支撑结构的质量，同时确保内部应力不超过屈服应力方面具有重要潜力。在过去，复杂金属增材制造工艺的热固仿真用时过长，因此为这种方法运行所需的数百次仿真迭代是不切实际的。匹兹堡大学的研究人员为仿真增材制造研发出一种简化方法，可在不到一分钟内完成仿真，从而解决了这一难题。相比之下，传统瞬态仿真则需要数小时甚至数天时间，这一新流程将纳入即将发布的Ansys Mechanical之中，能够显著降低金属增材制造的成本。
“这种简化后的增材制造仿真方法可在不到一分钟内完成仿真，相比之下，传统瞬态仿真则需要数小时甚至数天时间。”
金属增材制造工艺
粉床熔融金属增材制造工艺利用激光移动按顺序熔融粉床的微小区域，从而生产部件。随着顶层部件的每个部位冷却下来，已凝固的下层抵抗热收缩，从而对顶层施加拉应力。同样，顶层对其下面的固态区域施加压应力，这些应力对支撑结构的载荷具有显著影响。
▲修改固有应变法
工程师可以借助Ansys Additive Print和Ansys Workbench Additive等工具仿真金属增材制造工艺。这些仿真工具能预测残余应力和变形，以及它们对成品部件与支撑结构的影响，这需要花费数小时来计算的热固耦合仿真。匹兹堡大学研究人员探索了使用拓扑优化从分配给支撑结构的设计空间出发，迭代出优化设计，同时修改支撑结构的基本形状及尺寸，以最大限度降低其重量及成本。但拓扑优化通常需要分批运行数百次仿真迭代，因此开展金属增材制造仿真所需的完整热固仿真需要的时间过长，无法在真实的工程环境中使用。
“这种方法可以使用基于晶格的拓扑优化，迭代出的设计既能降低制造成本，又能确保支撑结构可以强化部件。”
▲图片来源：匹兹堡大学Albert To博士
“新修改固有应变法可在更短时间内提供接近瞬态仿真的精度。”
修改固有应变法
匹兹堡大学研究人员研发出一种新方法，能够大幅减少仿真金属增材制造所需的时间。他们将这种新方法称为修改固有应变法，该方法首先使用Ansys Mechanical对构件的一小部分开展详细的热固仿真，因为它会在激光作用下短暂加热到高温，然后冷却。这个区域被称为代表性体积单元(RVE)，长和宽通常为几毫米，厚度为一个构建层。仿真可计算修改固有应变，其定义是激光刚加热RVE时初始状态的总应变与RVE冷却到室温时最终状态的弹性应变之间的差异。将修改固有应变赋值给至整个有限元模型。然后，开展一次静力学平衡分析，其用时仅为热固仿真所需的几分之一。修改固有应变法的结果与传统热固仿真的结果吻合，仅相差几个百分点。
研究人员发现，优化支撑结构（在某些情况下为 部件本身）的最有效的方法是用可变密度的晶格结构 来构建它们。这些结构，使用传统的制造方法来生产 时成本过高，但可以使用增材制造来生产，而且成本 不会增加。设计晶格时，选择能够自支撑的最大桥接 跨距，并通过拓扑优化确定每个晶格部分的直径。
迭代出成本更低的支撑结构
▲支撑结构质量在优化过程中降低了53%
研究人员研发出一套独立代码，用于设置一系列Ansys Mechanical仿真，包括每个单元的相对密度。从固有应变法获得的固有应变作为初始应变应用于有限元模型，有限元模型的输出是每个单元的应力与变形。根据这些结果，独立代码可增加承受高应力与变形的单元相对密度，并降低承受低应力与变形的单元相对密度。该代码接着执行另一次Ansys Mechanical仿真。此过程会反复迭代，直到支撑设计得到优化，然后对增材制造流程进行完整的热固仿真，以验证优化后的设计。
金属增材制造正处于快速发展时期，但是要推动进一步应用，还需要降低成本。一种颇有前景的优化支撑结构的方法是在应力屈服约束条件下，最大限度减少材料耗用和构建时间。对增材制造流程进行完整的热机械仿真，可提供非常准确的仿真结果，但求解所需的时间会限制可供评估的设计迭代数量。匹兹堡大学研发的新修改固有应变法可在更短时间内提供接近瞬态仿真的精度。这种方法可以使用基于晶格的拓扑优化，迭代出的设计既能降低制造成本，又能确保支撑结构可以强化部件。
▲利用完整的热固仿真在四小时内计算出的变形
▲优化后的部件和支撑设计
相关工具：
Ansys Mechanical
Ansys Additive
参考文献
Liang, X.; Chen, Q; Cheng, L.; Yang, Q; To, A.C. "A Modified Inherent Strain Method for Fast Prediction of Residual Deformation in Additive Manufacturing of Metal Parts." Proceedings of 2017 Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, 2017.
来源：Albert To, Ansys Advantage
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