Simcenter 3D 粉末床融合：新的体素网格及其他改进

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Simcenter 3D 粉末床融合：新的体素网格及其他改进

增材制造为何成为增长型产业
对于增材制造工程师而言，了解零件在打印过程中及冷却后的变形情况至关重要。能够快速提供这些信息工具对现代开发工作流程来说至关重要。因此，任何辅助软件都需要相对易于使用，无需进行几何清理操作或网格划分失败。

增材制造曾应用于哪些领域？
根据 麦肯锡报告，粉末床融合在2020年是一个价值134亿欧元的产业，预计将大幅增长。该领域内的新技术正在消除采用障碍，并将其拓展至新市场。同时，绿色议程和高昂的燃料价格正鼓励各行业寻找设计和制造的新方式。3D打印的好处在于它能够无需漫长而昂贵的模具制造过程来制作零件。这长期以来是那些在小规模专业团队中原型化新想法和短产品周期的专业零件制造商的优势。然而，其局限性，如零件制造的缓慢方法，迄今为止阻止了它在大规模制造中的广泛应用。

增材制造为何现在正在增长？
世界目前正在拥抱的绿色革命要求车辆变得更加高效。这对电动汽车尤为真实，因为里程焦虑恐惧可能成为客户的重大障碍。因此，制造商正在寻求通过轻量化产品来减少对燃料源的需求。通过3D打印，可以从设计中去除所有非必要的材料。麦肯锡报告称，空客已经生产了一个增材制造的钛合金支架，重量减轻了30%，同时不损害性能或耐久性。有了这样的可能性，大众市场制造商也将寻求在产品开发制造中受益于3D打印。这些组织的复杂结构，包括专业设计、生产以及各种工程子部门，可能会突出在大规模使用3D打印的其他复杂性。

什么阻碍了粉末床融合的发展？
对于粉末床融合工艺仿真工程师来说，面临着常见的重复性问题。这些问题可能使建模时间显著延长，需要高技能人员来解决，或者仅仅是大量人工时间的漫长过程。这些问题可以归类为以下几组：

粉末床融合需要克服的困难

网格划分
遵循产品几何形状的网格划分（称为精确网格划分）经常会出现网格划分失败。这些失败是由于提供几何体中的不准确或问题引起的。修复此类几何问题需要有经验的工程师的技能，增加了项目的时间和成本。然而，在许多此类情况下，几何网格提供的精细细节并非必不可少。

支撑结构建模
使用精确网格划分解决方案，用户必须通过均质化过程获得支撑的机械性能。这是一个繁琐的过程，因为工程师需要将属性应用于每个单独的支撑结构几何类型。
需要专家参与的漫长过程对任何组织来说都不具吸引力，但对于需要规模经济才能收回投资的大众市场制造商来说尤其不理想。因此，为了使3D打印对像汽车制造商这样的组织更具吸引力，他们需要一个解决方案来减轻专业工程师的负担，让更通用的工程师甚至技术人员能够执行大量工作。

校准
打印过程中发生的加热和冷却会产生高内应力。这些内应力将导致正在打印的零件变形。此过程的复杂物理并未直接建模，而是被更简单的仿真类型替代。我们需要的仿真输入值是固有应变，即注入到单元中的初始应变值。这些固有应变可以是正交各向异性的，并通过自动校准过程获得。

这些困难正在如何解决？
通过 Simcenter 3D 粉末床融合，由于引入了直接解决这些挑战的功能，网格划分和支撑结构问题不再令人担忧：

网格划分
自从引入体素网格划分以来，网格的复杂性可以显著降低，在许多网格划分任务中消除了对专家的需求。通过新的体素解决方案，网格划分失败将不再出现，网格划分可以自动完成。即使包含微小缺陷的几何体也可以正确网格划分。



Part built with a voxel mesh and a support structure (shown in blue)
支撑结构建模
获取机械属性并将其添加到模型中的繁琐过程已大大简化， 从而大幅降低了总工作量。 在 Simcenter 3D 粉末床融合中，每个体素元素的体积分数被自动计算，即支撑结构所占的体积百分比。通过此体积分数值，应用程序直接计算支撑结构的机械材料属性。此自动过程为每个支撑结构计算材料属性。

校准
Simcenter 3D 2212版本引入了新的校准过程，这要归功于切割操作的新仿真能力。此功能允许在新型技术中使用，借助新的向导，使甚至经验较少的工程师也能完成任务。该过程涉及打印两根梁，将它们从底板部分切割，并测量其由此产生的弯曲变形。




加速您的流程并释放您的专家
大型产品如 Simcenter 3D 如果管理不当，可能会变得笨重且难以使用，因为有太多的选项和用户角色。在粉末床融合的情况下，功能越来越多，非专家可能会因所有可能性而不知所措。相反，如果所需功能隐藏在无尽的墙壁或向导 GUI 后面，专家可能会感到沮丧。
为了克服这一担忧，当开发人员创建新的基于体素的网格划分工具时，他们知道它需要为经验较少的工程师工作。而现有的四面体网格将是专家想要完全控制时的解决方案。因此，Process Simulation 功能区中现在有两个选项，如图6所示。新的体素网格和常用工具（如用于建模机械（恒定应变）和简单切割操作的工具）可在"Start Powder Bed Fusion"下找到。此工具显著简化了网格划分、支撑结构建模和校准。而四面体网格和更高级的工具（如用于热机械仿真的工具）可在"Start Advanced Powder Bed Fusion"下找到。

总结
最新版本的 Simcenter 3D 通过增加非专业人员可能完成的任务数量，使工程团队能够保持整合，减少团队变得孤岛化的风险。通过体素网格划分方法，完成网格划分过程所需的时间显著减少，使整个制造流程能够更快进行。这两个优势释放了组织中的网格划分专家，让他们能够通过探索专家才能调查的可能性来创造更多收入，而不是花费时间在相对重复的任务上。