借助仿真App優(yōu)化3D打印技術(shù),將徹底改變零件的設(shè)計(jì)流程

在設(shè)計(jì)精密零件時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨的一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)是，如何在保證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)快速批量生產(chǎn)的同時(shí)，使其符合極其嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射器為例，只有高精密零件才能保證飛機(jī)的正常工作，讓乘客放心地把自身安全交給航空公司。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，工程師們不僅要優(yōu)化特定的部件，還需要優(yōu)化部件的制造工藝。

增材制造又稱(chēng) 3D 打印，近年來(lái)發(fā)展迅猛。它是一種新穎且前景廣闊的制程工藝，不僅有利于減少材料浪費(fèi)，更重要的是可以生成傳統(tǒng)工藝無(wú)法加工的形狀。

位于英國(guó)考文垂的制造技術(shù)中心（Manufacturing Technology Centre，簡(jiǎn)稱(chēng)MTC）長(zhǎng)期致力于研究增材制造技術(shù)，為航空航天產(chǎn)業(yè)的零件制造商提供設(shè)計(jì)和物理樣機(jī)。其中一種常用的增材制造工藝叫做激光粉體熔化成型（laser powder bed fusion），這項(xiàng)技術(shù)利用數(shù)十微米厚的粉末層，通過(guò)激光逐層構(gòu)建出零件。3D 打印系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)定義的打印路徑，制造出具有極小幾何細(xì)節(jié)的零件。

為了驗(yàn)證增材制造零件的質(zhì)量和性能，MTC 幾年前便開(kāi)始使用 COMSOL Multiphysics? 軟件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)測(cè)試、模型驗(yàn)證和性能預(yù)測(cè)。在過(guò)去幾年間，他們開(kāi)始基于 COMSOL 模型創(chuàng)建仿真 App，讓不同的團(tuán)隊(duì)能夠通過(guò) App 共享仿真分析的強(qiáng)大功能，滿(mǎn)足客戶(hù)的各類(lèi)需求。

早在仿真 App 開(kāi)發(fā)的初期，我們就曾采訪(fǎng)過(guò) MTC 團(tuán)隊(duì)（請(qǐng)參閱 2015 年度的《COMSOL News》第 5 頁(yè)）。兩年之后，讓我們來(lái)看看仿真和計(jì)算 App 對(duì)MTC 的設(shè)計(jì)工作流程和部門(mén)間協(xié)作產(chǎn)生了怎樣的影響。

全新的零件設(shè)計(jì)方法

MTC 物理建模團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Borja Lazaro Toralles 表示，激光粉體熔化成型技術(shù)擁有其他制造工藝不具備的優(yōu)勢(shì)。它的沉積速率慢于金屬沉積成形工藝，但其精度和分辨率更高。

然而這種工藝有一個(gè)缺點(diǎn)：當(dāng)金屬冷卻時(shí)，材料可能會(huì)在沉積了數(shù)層之后發(fā)生變形。較大的溫度梯度和快速冷卻引起的熱循環(huán)會(huì)在沉積過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這會(huì)造成微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生緩慢的變化，進(jìn)而導(dǎo)致零件發(fā)生變形，如圖 1（左）所示。

在某些情況下這些變形并不重要，然而對(duì)于有些應(yīng)用而言，即使是 100 微米（0.1 毫米）的差異，也會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的允許范圍，致使零件無(wú)法使用。針對(duì)這些應(yīng)用，MTC 團(tuán)隊(duì)需要想出一個(gè)能抵消熱循環(huán)影響的方法。

由于熱循環(huán)和微觀結(jié)構(gòu)的演變無(wú)法被消除，MTC 的團(tuán)隊(duì)打算從另一個(gè)方向來(lái)處理這一問(wèn)題?！拔覀儎?chuàng)建了一個(gè)可用于預(yù)測(cè)零件構(gòu)建過(guò)程中的應(yīng)力和變形的仿真模型，借此來(lái)了解零件在打印過(guò)程中是如何變形的。”Lazaro Toralles 解釋道，“只要掌握了這些信息，我們就可以‘抵消’零件設(shè)計(jì)中的變形。這意味著我們能預(yù)先掌控翹曲問(wèn)題，將最終產(chǎn)品塑造成客戶(hù)真正想要的形狀?！?/p>

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)巧妙地從實(shí)際誤差出發(fā)進(jìn)行逆向處理，直接在設(shè)計(jì)中還原了誤差。利用此方法，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以基于預(yù)測(cè)模型找到誤差最小的形狀，更加靈活高效地在規(guī)定的容差范圍內(nèi)制造零件（圖 1 右）。

圖1. 左：扭曲零件的示例。由于存在殘余應(yīng)力，飛機(jī)葉輪的葉片已經(jīng)發(fā)生翹曲。紅色表示扭曲相對(duì)較大的區(qū)域。右：經(jīng)過(guò)扭曲調(diào)整后的最終葉輪設(shè)計(jì)。

此外，多物理場(chǎng)仿真還為 MTC 的增材制造設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)全新的溝通協(xié)作方式。Lazaro Toralles 的團(tuán)隊(duì)將 COMSOL? 模型封裝成了一個(gè)可用于預(yù)測(cè)翹曲的仿真 App，同事們無(wú)需花費(fèi)力氣去了解原始模型，也能在 App 中運(yùn)行仿真，查看需要修改的設(shè)計(jì)因素。

當(dāng)然，在與零件的設(shè)計(jì)工程師分享 仿真 App 之前，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先需要?jiǎng)?chuàng)建高精度的仿真模型。

模擬各類(lèi)復(fù)雜零件

如何創(chuàng)建一個(gè)可針對(duì)任意類(lèi)型的金屬進(jìn)行形狀預(yù)測(cè)的仿真模型？實(shí)現(xiàn)的方法有很多。Lazaro Toralles 和其研究團(tuán)隊(duì)首先定義了一個(gè)全新的建模流程，可用于預(yù)測(cè)大型零件的最終形狀，隨后他們創(chuàng)建了一個(gè)仿真模型，能為設(shè)計(jì)工程師提供調(diào)整設(shè)計(jì)所需的信息。

他告訴我：“傳統(tǒng)的增材制造模型非常精細(xì)，即便是微觀結(jié)構(gòu)，其精度也非常高。然而考慮到計(jì)算成本，這些模型并不適用于模擬大型零件的構(gòu)建過(guò)程。雖然模擬該過(guò)程需要耗費(fèi)大量時(shí)間，但我們還是需要了解整個(gè)零件在打印過(guò)程中的性能表現(xiàn)。為了解決耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，我們將構(gòu)建的打印層“集總”成了一個(gè)整體，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)施加了解析溫度場(chǎng)。通過(guò)這一方式，我們?cè)诒ＷC結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，縮短了求解時(shí)間?！?/p>

從航空級(jí)鈦合金到不銹鋼，MTC 在工作過(guò)程中需要處理各種類(lèi)型的金屬，因此為了方便使用模型來(lái)測(cè)試具有不同形狀、尺寸和材料的零件，他們使 COMSOL 模型中的參數(shù)可以調(diào)節(jié)，包括材料屬性、集總層厚度、夾持在零件上的構(gòu)建板，以及網(wǎng)格單元大小等。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)借助 COMSOL 軟件中的結(jié)構(gòu)力學(xué)功能，通過(guò)解析溫度場(chǎng)對(duì)線(xiàn)彈性材料進(jìn)行了定義，此類(lèi)材料的塑性和熱膨脹特性會(huì)隨溫度發(fā)生變化。該App還能自動(dòng)執(zhí)行多個(gè)CAD操作，為“集總”層生成幾何、圖形。

考慮到使用集總材料層建模無(wú)法模擬出真實(shí)的工具路徑，于是仿真生成了一個(gè)柵格來(lái)進(jìn)行近似表示。溫度場(chǎng)被施加在柵格點(diǎn)上，隨后軟件計(jì)算出了沉積過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，并對(duì)零件的最終形狀進(jìn)行了預(yù)測(cè)（圖 2）。

圖 2. 仿真結(jié)果顯示了葉輪中的位移，并據(jù)此預(yù)測(cè)最終的零件形狀。

分享預(yù)測(cè)能力

借助仿真分析預(yù)測(cè)出某個(gè)零件中的誤差后，如何以清晰簡(jiǎn)明的方式將信息傳遞給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，這是仿真專(zhuān)業(yè)人員面對(duì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)。許多公司將建模團(tuán)隊(duì)劃分成設(shè)計(jì)和仿真兩個(gè)業(yè)務(wù)組，各組內(nèi)的人員可以發(fā)揮其自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而這種做法會(huì)讓部件的設(shè)計(jì)和分析之間缺乏有效溝通。

仿真專(zhuān)業(yè)人員可以將模型封裝成簡(jiǎn)明易用的仿真 App，以此來(lái)消除兩個(gè)團(tuán)隊(duì)之間的交流障礙。設(shè)計(jì)工程師無(wú)需接觸復(fù)雜的底層仿真模型，也能在操作界面中運(yùn)行測(cè)試。這大幅簡(jiǎn)化了對(duì)新零件性能的評(píng)估過(guò)程，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在無(wú)需求助仿真專(zhuān)業(yè)人員，也能方便地對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用各類(lèi) CAD 平臺(tái)創(chuàng)建了大量復(fù)雜零件，因此 COMSOL 模型及相關(guān)仿真 App 的功能也必須足夠強(qiáng)大，才能滿(mǎn)足使用需求。仿真 App 中包含 CAD 導(dǎo)入功能，用戶(hù)可以對(duì)任意形狀進(jìn)行測(cè)試。這對(duì)于基于植物、動(dòng)物、地形等具有自然特征的形狀（即所謂的有機(jī)形態(tài)）而言尤為重要，例如在Rhino等許多軟件中繪制的圖形便是如此。

該仿真 App（圖 3）是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 開(kāi)發(fā)器”創(chuàng)建的，可以針對(duì)指定零件（本例為飛機(jī)葉輪）顯示其最終形狀、變形和應(yīng)力水平的仿真結(jié)果。

圖 3. 借助 MTC 開(kāi)發(fā)的仿真 App，用戶(hù)無(wú)需了解底層多物理場(chǎng)模型，便可以在仿真中調(diào)整設(shè)計(jì)并測(cè)試修改。

Lazaro Toralles 補(bǔ)充說(shuō)：“我們自己（仿真團(tuán)隊(duì)）也經(jīng)常使用仿真 App，相比于原始模型，在 App 中修改輸入?yún)?shù)更加方便。由于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無(wú)法獨(dú)立運(yùn)行仿真，所以 App 實(shí)際上是特意為他們開(kāi)發(fā)的，這樣設(shè)計(jì)工程師就能導(dǎo)入零件模型，并預(yù)測(cè)零件在打印過(guò)程中的變形情況?！?/p>

借助 COMSOL Multiphysics 中的“App 開(kāi)發(fā)器”，Lazaro Toralles 能夠完全掌控App 用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)容。隨著仿真 App 根據(jù)公司的需求而不斷改進(jìn)，每一項(xiàng)輸出和顯示內(nèi)容都是經(jīng)過(guò)反復(fù)斟酌才加入到 App 中，其中部分輸入和設(shè)置被鎖定，這是為了避免 App 用戶(hù)因意外操作而造成錯(cuò)誤。此外，雖然底層模型的設(shè)置始終對(duì)用戶(hù)隱藏，但是仿真能力卻在不斷地傳播。

鞏固新型協(xié)作方式

COMSOL Server? 產(chǎn)品支持對(duì)仿真 App 進(jìn)行分發(fā)、管理和運(yùn)行。Lazaro Toralles通過(guò)該產(chǎn)品對(duì)仿真 App 進(jìn)行了部署，擁有訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限的同事可以在整個(gè)企業(yè)內(nèi)部隨時(shí)訪(fǎng)問(wèn) App。

仿真徹底改變了 MTC 團(tuán)隊(duì)的協(xié)作方式?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)建立了一個(gè)新的協(xié)作流程，設(shè)計(jì)人員和仿真工程師可以通過(guò)高效的溝通來(lái)簡(jiǎn)化對(duì)設(shè)計(jì)的測(cè)試及修改過(guò)程，并最終按客戶(hù)的需求進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。

Lazaro Toralles 承認(rèn)，起初他們向其他部門(mén)介紹仿真 App 時(shí)，很多人持懷疑態(tài)度?！拔覀儾坏貌慌?zhēng)取他們的信任。但當(dāng)他們看到模型能持續(xù)穩(wěn)定地輸出可靠的結(jié)果后，終于認(rèn)識(shí)到了仿真的價(jià)值。仿真 App 中包含各種功能：它可以呈現(xiàn)打印的幾何切面圖、顯示網(wǎng)格、引導(dǎo)工程師執(zhí)行扭曲分析，并提供反饋息?！狈抡婀ぷ鳜F(xiàn)在已經(jīng)成為 MTC 工作流程中不可或缺的一部分，大幅提升了物理建模團(tuán)隊(duì)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的溝通效率。這一新的方式徹底改變了零件的設(shè)計(jì)流程。