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结构设计与仿真优化如何助力增材制造产品的迭代升级

发布时间:2022-7-5 15:23 来源:季华实验室 观看:

结构设计与仿真优化如何助力增材制造产品的迭代升级?增材制造技术如何为民用行业降本增效,为了将增材制造技术更好地推广向市场,我们还能做些什么?掌握增材制造工艺与材料,30分钟增材技术现场答疑环节,由霍尔榜主持人开场去提出大家比较关注的一些话题,季华实验室高博士分享解答。

Q:霍尔榜

关于冰刀的材料是什么种类?后处理加工用的是磨削吗

A:季华实验室

首先,冰刀的材料我们用的是AlSi10Mg合金,我们后期也尝试了一下高强合金。这个项目不是我们完全独立做的,是和合作方一起做的。我们主要是承担了防真优化和结构设计,冰刀机加工是由合作方做的,具体的加工方式我们没有去细细的了解。

Q:霍尔榜

前期设计才是制胜王道,在冰刀设计这块您这边有没有什么补充的呢?

A:季华实验室:

首先要明确客户的需求,我们要得到一个完整的客户数据。就是我们运动员真正在比赛中,在高速滑行过程中的一个实际的工况。拿到工况后做进行受力分析,这样可以使得初始的仿真参数的输入更加准确。准确后我们建模,包括各种调参数才能更加的精准。不然前期输入是错的,最终仿真优化的输出肯定也是不准确的。所以,我们前期要把数据模型的输入给做好。同时,我们在调节具体参数的过程中,还是要稍微细致一点。比如网格的划分,受力的分析,应该更加细致一些,把模型做得更好,相对来说输出的结果会更加准确。

Q:霍尔榜

锥行流道是什么材料?

A:季华实验室

锥行流道也是铝合金做的,AlSi10Mg。

Q:霍尔榜

高博士,您提到的风场和激光作用对成形质量影响有多大?

A:季华工作室:

这个其实是蛮大的,现在国内厂家都在做大设备,如果跟他们细细聊下来你会发现,他们都在强调风场的重要性。因为幅面大了之后,我们从吹风口到吸风口之间有很长的距离,激光扫的过程中,它有一些烟尘,有些溅射。如果我们不能及时地用风给带走,或者说带走的不均匀,都会导致成形的质量会发生变化。尤其是在不同的位置,这个变化一方面会稍微影响我们的致密度,致密度很大程度上也决定了我们这个力学性能,尤其是疲劳性能。 

另外,它也会影响我们的表面质量,因为我们在研究工艺的过程中,我们自己也发现这个问题了。比如说,从靠近吹风口到靠近吸风口整个幅面上,我们可能靠近吹风口的部位,它不光是表面质量,包括致密度都会稍微好了那么一点点。但是靠近吸风口,远离吸风口那一块,它的表面质量都稍微差一点,这是我们在做大设备一个发现。所以说,风场是非常关键的,稳定性的风场对我们成形一致性,以及成形质量的保证,是非常有重要意义的,尤其是在大设备上面。

Q:霍尔榜

发动机的排气管需要承受较高温度,能否用打印工艺?内腔道比较复杂

A:季华实验室

承受很高温度这一块倒没关系,我们有相应的核心材料。比如说,我们有一些高温合金,可能4169不太合适,但是我们有更高的合金,比如哈氏合金、3536、738这些合金可能能够承受更高的温度。 

至于复杂流道,还要结合具体的情况来看待。如果你那边有具体模型能讲的出来可以帮您评估一下。但是从理论上来讲是可以做出来的,因为我们有做过进气机匣,它的结构非常的复杂,我们最终也是成功地把它打印出来了。这个大概长、宽、高都在500左右,这样一个大型复杂构件也是能成功3D打印一体成形出来的。

Q:霍尔榜

打印后的内部组织疏松一般是用什么工艺来避免的?

A:季华实验室

这个组织疏松指的是有一些气孔、孔洞缺陷吗?那如果是这点的话,一方面,我们要进一步调整打印工艺,尽量使我们的致密度能够更好的提高。另一方面,我们可以做一些热等静压处理,就是HIP, 通过这个处理可以稍微压实一些孔洞,使我们致密度进一步的提高。

Q:霍尔榜

后期对表面的处理是用强力喷砂,有没有用到光整加工?

A:季华实验室

目前阶段在我们季华实验室这边,主要做的还是喷砂,喷砂以及磨粒流抛光。您说的光整加工有了解过,但是目前还没有去尝试。

Q:霍尔榜

单件小批量生产的时候,成本核算一般是按照原材料费用加上工艺费用还是怎么算的?

A:季华实验室

这个我们是针对不同客户,不同零件有两种算法。一个是机时费,我们直接打印直接算的机时费。另外一个是算材料费,稍微加一点后处理的费用,两种核算方式。是看针对不同的地方,比如说,民用企业,他们真的是对成本要求卡得非常严,真的是想把3D打印技术卖到白菜价,真的是很难很难,所以,我们是不同的场景不同的核算方式。

Q:霍尔榜

现在打印后有没有类似拍打或者微锻造的工艺手段,让内部更致密?

A:季华实验室

目前,据我了解,针对铺粉设备好像还没有,一边打印一边原位去改进的技术出来。可能现在有一些国家重点专项在推这个方向,但目前还没有听说哪家做的比较好,但是对于这种激光同轴送粉、激光熔敷这些设备目前还是有的。

Q:霍尔榜

在制造过程当中仿真软件它的可靠性?

A:季华实验室

我们目前都有尝试过。比如说,我们的轴承座用的是Netfabb仿真,Netfabb相比于我们另一种仿真软件,我们另一种还用过Magics, 或者说 simufact, 因为Magics它那个仿真模块是基于 simufac公司来的,他是一个合作关系。这个simufac仿真它是基于固有应变法,就是我们在进行结构过程仿真之前,我们先打印一些特征件,把它切开,切一部分,然后进行一个校核。

这样的话,它就是针对我们这台设备进行了一个定制化的参数输入,我觉得它是更加准确一些。那么这个Netfabb,它其实不这样,它有一套自己的算法在里面。我们只需要输好材料参数之后,再直接去算出我们这个模型,包括变形、应力其中、一些位移这些地方。其实我觉得,可能对于Netfabb仿真来说,可能更多的是一种参考吧。比如说它的位移、变形可能有点意义。但是对于Magics来讲,可能它的更加准确一些。

Q:霍尔榜

外购的原材料稳定性怎么解决?

A:季华实验室

我觉得可以这样去考虑,首先,我们最好是不要来回更换厂家。比如说,我们调研好之后,可以向各个厂家去要一点粉末做一下试验,选好材料尽量不要再更换了。另外,我们尽量是买厂家同一批次的粉末,不要买分批的,分批可能多少还会有一些变化,这是前期的一些工作。

粉到了之后,我们自己要做一个表征。比如说,我们这个粒度分析、形貌分析,拍一些扫描电镜这些,我们自己做一个质检这样来控制。如果发现质检结果它的波动比较大,我们是可以向厂家提出一些反馈的,通过这些方法进行控制。

Q:霍尔榜

我们的铝基复合材料现在SLM工艺可以直接成形吗?

A:季华实验室

可以的,铝基复合材料现在已经有很多种不同的工艺了。我们从学术界来讲,包括我自己,其实我也是做了一部分铝基复合材料的。从工艺角度来讲有很多种,首先,有直接混合法,就是一种机械振动混合的,没有通过球磨,把两种粉直接放在一起,用超声震动形式进行混合的方法。

我们有业界同仁是通过低速球磨,如果用高能球磨会把粉末表面给破坏掉,因为这个能量是很高的,里面加的还有磨球,它有时候能把我们粉末从微米级破碎到纳米级,这种方法显然是不可行的,因此我们可以采用低能球磨,也不加磨球进行一个混合,这也是一种方法,这些都是机械混合法。

另外,有些研究人员是通过在合金熔炼过程中,就已经加入了这些复合材料颗粒,熔炼之后,再雾化直接做出复合粉这样一种方式。我们看文献也会发现,国外有一些研究人员,他是通过静电组装法,就是通过一些静电,让纳米粉末吸附在金属粉末表面,均匀粘附表面这样的方式来进行包覆。这些方式我们都可以直接做出复合粉末,也都能够良好的成形。但是成形归成形,它的性能虽然也比较好,但是目前还是没有大规模推广上应用。

我觉得这可能有两点:一点就是,加入这个复合材料,很多其实都是陶瓷颗粒,它是一种硬质相,这个相确实一定程度上能够起到一个强化的作用,就是能够大幅提高材料的性能,包括静态性能,以及它的刚度也会得到一定的提升。但是,它可能在做热处理的时候,可能会出现一些问题,在做疲劳性能上也会出现一些问题。它可能会成为裂纹、敏感点等。所以说,可能在这一方面,导致我们在目前状态下,没办法大规模地去应用起来。

Q:霍尔榜

高博士,您觉得SLM未来的发展方向是什么?

A:季华实验室

这个话题比较大了,其实针对我个人的理解,刚才我有讲到,我们现在国内的厂家其实做的已经非常好了,在某些地方已经处于一个引领的状态。我觉得,现在大家普遍关注的都是更大的设备尺寸,包括更高的成形效率。比如说,大层厚的工艺摸索。另外,我觉得可能更多的是我们从业人员,在关注设备的精细化,精细化指的是什么呢?可能有些厂商,他的工艺软件做的要更好、更细。可能别的公司做不出来,他能做出来,可能他更多的是在软件、细节上进行的一些优化。

我们在做工艺的时候,你会发现有时候工艺是矛盾的。就是我们保证了这个,就难以保证那个。有些厂家可能现在也是在关注,如何把我们的工艺,包括软件的性能进行一个精细化。比如说,动态调整,我们打不同位置,不同特征,看我们能不能通过软件控制把它给识别出来,更好地去给它赋予不同的参数。这样,我们在一个完完整整的复杂构件中,什么样的结构我们都能打印出来。这就是我们能力的一个体现,我觉得这是厂家可以关注的点。

另外,现在业内厂家也是很多在基于铺粉的, SLM技术的多材料、特殊材料这一方向,也都有很多同仁在进行研究,这是我所理解的一些浅见,一些发展的方向。

Q:霍尔榜

你们自己是做原材料的吗?

A:季华实验室

我们确实有研究,我们是针对于高强铝合金,包括钛合金这两种材料,典型材料正在开发新型的雾化制粉设备。它是区别于市面上VIGA、EIGA这种成熟的制粉技术,相当于是新型的一个雾化制粉技术。这两种技术从理论上来讲,它是能够有更好的收得率和球形度,而且它的耗气量,尤其是新型的铝合金与铝基合金的制粉阶段,它的耗气量非常小,这也是它的制备优势。我们做材料,更多的是为增材制造而设计的新材料进行开发,我们有自己的设备,可以很快速地响应。

Q:霍尔榜

高博士,您好,您说的基本不同位置上光斑形状会有变化,但激光器不是有振镜系统来调整的吗?也有光斑修正的,这个变化对质量大吗?

A:季华实验室

您说的很对,确实现在很多厂家对激关振镜优化做得非常到位,有些厂家可能是把优化调得非常好。就是中心、边缘可能没有大明显的偏差。但是有些可能还是有不足,我们从文献中可以明显的看出来,从中心到边缘打出来熔池确实发生了一些变化。这也确实给了我们一个启示,当然,我们也是需要在具体的设备上具体地去验证。假如,我们这个设备调得非常好、非常稳定,通过验证之后发现,不论是致密度还是表面质量,我们都打的是非常的一致,没有太多的波动,那么,是可以忽略这个问题。

Q:霍尔榜

打印的时候,有时候需要考虑到后期减材加工的方法,在这一块需要做机加工基准的考虑等等,这一块咱们是如何融合的?

A:季华实验室

首先,在做件支撑设计的时候,就要有这种理念,我们做支撑设计,不光是为了撑住、拉住零件。不光是为了导热,还要为了我们后期好加工。就是我们在设计支撑的时候,首先要考虑到我们如何进行机加,这是非常重要的一点。就是要在设计的时候想好,我们怎样去装、去加工、去线切割、去机加工,前期把这个东西想清楚。

Q:霍尔榜

复材加入的陶瓷增强项体积分数现在能做到40体分以上吗?

A:季华实验室

从整个学术界来讲,是有做的这么多的。但是,至于能有多少应用就要打问号了。做是肯定可以做的,我们做这个东西肯定是要找到它一个极限。就比如说,我们加5%,加10%,加15%,我们逐步的往上增加,看看我们这个材料性能什么时候达到峰值,什么时候开始下降。那可能针对不同的材料,或者说不同的陶瓷相,它的不同的粒径其实也是有区别的。

比如说,我们加入了大部分都是纳米级的,那可能说,你在这样相应的体积分数可能会高一些。假如你加的都是微米级的,可能加太多之后,它已经变成脆性相,或者说很难成形了。这时候也没有必要去加那么高,还是要具体情况具体分析。而且针对于应用场景来讲,我觉得40%以上可能是有一些困难的。

Q:霍尔榜

增材软件切片时主要考虑的因素有哪些?

A:季华实验室

我个人在做切片时主要考虑还是一个层厚,其它好像没有什么特别值得注意的。假如你是Magics切片,我倒是遇到一点,假如我们的基板或零件尺寸特别大,超过600幅面的时候,切片会遇到一些分辨率的问题。我们跟Magics公司联系过,他们说这是他们软件目前的一个缺陷,尤其是CLI格式的。

假如你切SLC格式可能没有问题,如果是切CLI ,一旦超过零件的尺寸,一旦某一边某一个点超过了600,可能在切片中遇到分辨率的问题。那么分辨率会报错,报错之后,切片时可能会出现一些错层,这是我们在实际操作使用中遇到的一些问题。那么我们是怎么解决的呢?我们是尽量把基板或零件往边移一点,因为我们现在设备有很大的, 有800、800x600这样的幅面,我们尽量往边移,不让基板或零件的最大尺寸超过设备局限,就能暂时解决问题。

Q:霍尔榜

金属增材大规模应用的瓶颈您觉得在哪里?

A:季华实验室

现在一方面,可能还是成本比较高,成本是一个重要的因素。其次,很多不光是航空航天主机厂,包括一些民用的对增材技术持有一定的观望态度,不敢完全的信任这个技术。这也是需要我们从业人员,无论是从原材料粉末到装备,到工艺软件人员都要一起去做努力,让上下游产业链能够同时去突破一些难题。降本增效,各行各业才能够接受我们的新技术。同时价格亲民,才能够更好的将增材技术推广市场。

Q:霍尔榜

打印的时候打印材料和基板必须要同材质吗?还是说也可以用不同的材质,区别大吗?

A:季华实验室

我们也确实遇到过这种情况,从某种角度来讲,还是跟材料有关系。从材料角度讲,有些材料,它两种材料之间的结合力,亲和力是比较好的。比如说,我们用不锈钢板,用钢基板去打铜是没有问题的。但是,我们用钢基板去打铝就不太行。我们之前有一个误操作,打铝的时候不小心装了块不锈钢板,没换,直接打了,打了两三层之后立马就翘起来,非常明显的一个剥落。说明铝在钢基板上还是不够亲和,它的亲和力不够。所以,还是要看具体的情况,目前来讲,我们用铁基的一些材料去打铜是没什么问题的。

Q:霍尔榜

高博士您好,能分享一下支撑参数的参数对成形件的质量影响,以及怎么去添加制成?

A:季华实验室

支撑的参数对成形件的质量是有比较大的影响。因为我们支撑,其实它一方面是为了撑住我们的零件,另一方面拉住我们的零件不让它变形。有些位置它应力比较大,如果你没有支撑拉住它可能会起翘或者变形掉。另外,在某些位置起到一个导热的作用,我们都知道,零件大了之后,它下面都是粉末。

有些位置,它可能能够沿着下面的一些实体进行散热,但是有些位置可能下面更多的是粉末,那么它不能良好地散热之后,它就会有一些应力集中在里面。这个时候,我们要根据选择性的这些特征,去加一些导热性的支撑,让它有一个更好的散热。

至于具体的支撑参数,现在业界主流用的多的是两种,一种是块状支撑,一种是实体支撑,实体支撑包括体积支撑或锥形支撑。具体参数一两句话也讲不太清楚,总的来讲,块状支撑需要注意的是,块与块之间的间距,包括块状支撑整体的切割,切割是为了我们更好的去支撑。

如果我们不把整体大量的块状支撑进行切割,它就变成一体的了。那么一体的话,它就很难的在后期进行一个去除,我们通过对块状支撑进行切割之后,它就一块一块像一个孤岛一样,我们后期进行去除的时候,就非常方便,可以一块一块把它砸掉,方便我们去支撑。

另一方面,我要提一点,我们要利用好镂空这个功能。你们做的多可能会发现,有时候我们打个件比较高,比较大,我们假设加个块状支撑,里面材料会有非常多的粉末。如果不进行镂空或者镂空参数选的不好的话,我们在清粉的时候就会遇到非常大的困难。所以,我们要合理选择镂空参数,到时候可以拿着吸筛机设备进行一个清理,把粉末回收掉,这是一个值得注意的点。至于其它一些细节的问题,我们可以私下交流,因为参数比较多。

Q:霍尔榜

打印原材料对粉末的球形度要求是越高越好吗?

A:季华实验室

在一定程度上,球形度越高越好,这里头有一个边际递减效应。比如说,从不规则到规则,它是一个质的飞跃,但是我们从接近球形到标准的球,可能提升效果并不明显。所以,我们没有必要追求完美的球形,可能在接近球形的过程中,它其实已经比较好了,后期再进行大量的提升,反而没有太多的收益,我是这么理解这个话题的。

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