1、1.增材制造過程工藝模擬3DCAD復雜等金屬零件的加工模式。增材制造是結合計算機輔助設計來生產制造三維物體的過程。在增材制造 1 1 步到第 7 步展示的是物體從設計直至生產的整個工作流程。圖從歷史上看，傳統或常規的制造方法主要是利用消減工藝將各種形式的基如鑄造車間、車床、CNC 法的偉大變革。增材制造以3D 打印而廣為人知，是一種現代制造技術。圖2-圖4展示了這兩種類型的制造工藝。圖2.圖3.圖澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的未來制造技術主管 Swee Mak 博士在2014 年 6 月 4 日的 Hunter 研究基金會會議上展示了圖 圖5全球增材制造市場包括 3D 打印機、材料及服務提供

2、商。到 2020 年，整個市場（不包括材料）的價值有望達到114 至 2020 年間，預計年增長率為 %。圖要行業的市場占有率。圖圖求。2016 年 3 月 3 日，在美國南卡羅萊納州查爾斯頓舉辦的 SHIPTECH 2016會議中，ConcurrentTechnologies 公司的 KennethSabo 介紹了增材制造工藝的優勢與挑戰。表 1 給出了增材制造工藝的優勢/挑戰概覽。 表圖7打印生產廠家還未擁有完整的材料屬性數據庫。行業無法實現整體遷移來提供完整的制造解決方案，除非可以記錄并保存可用材料的材料屬性數據，并進一步研究、記錄選定部件的“增材制造”材料能力（例如與構建方位、拉伸強度

3、、屈服強度、環境考慮、斷裂韌度等有關的材料屬性）提供給所有廠家。如果不能得到3D打印部件的材料屬性，工程師和設計人員就無法將增材制造視為可行的制造方法。工藝條件的不確定性：現有方法尚不足以解決工藝可重復性和一致性。有時粉末會出現高達 85% 的廢品率。需要開發出創新的方法，以改進和加強早期的檢驗。良好的工藝控制可縮短機器停工時間，這也是當前許多機器和工藝設計人員遇到的主要問題。1.增材制造能否生產出輕量化、高性價比的優質產品？2.采用增材制造技術是否是明智之舉？3.我應當對物流/供應商提出哪些建議？4.什么是關鍵變量靈敏度矩陣？5.表面加工為何會過于粗糙或過于精細？6.粉末廢品率為何會如此之高

4、？這些關鍵性的技術和眾多挑戰將是未來增材制造企業和相關研究機構需要重點解決和面臨的。2）國內外進展和水平）增材制造技術現狀進行密切的聯合研究。2012 年空客在 A380 客艙里使用 3D 打印的行李架，這也是空客商務機首次使用 3D 打印的部件?？湛凸旧a的軍用“臺風”戰斗機，使用了 3D 打印的空調系統?？湛瓦€提出 2016 年是鈦合金 3D 打印年，并預計到2018 年每月將有 30-35 噸的增材制造零件被裝在飛機上。波音公司開發出一種懸浮式 3D 打印技術，在沒有任何實體打印平臺的情況下，實現 360 度無死角操作，并于近日成功獲批專利。波音公司已經利用 3D 打印技術制造了大約

5、300 種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設備的導管等。預計到 2018 年波音的飛機會采用超出 20000 個 3D 專門成立了增材制造實驗室，成功收購了生產商 MORRIS 公司，于 2014 完成傳感器外殼設計、制造，2015 年 2 月獲得 FFA 認證，第二周投入使用。GE 進一步推出了 3D 打印的燃油噴嘴（圖 并于 2015 實現批生產，2015 生產了 1000 件，2020 年預計可達年產 40000 件。俄托木斯克理工大學 2016 年 3 月 31 日發射世界首顆外殼全由 3D 打印制造的立方體納衛星。該衛星搭乘“進步 MC-2”號貨運飛船前往國際空間站，之后再由用

6、 3D 打印技術制造外殼將使這類衛星變得更為廉價和普及，進一步降低衛星開發的門檻。美國 Aeromet 公司利用激光 3D 打印技術制造出多個大型鈦合金關鍵承力件，其中整體筋板加強鈦合金發動機框的尺寸達到，重達130Kg，機翼拼接接頭等已經在 F22 及 F18E/F 上得到批量使用。圖8 圖9 5國內近年來增材制造的開發和研究也有了長足的進步。以北航的王華明教增材制造工藝和產品開發上取得了可喜的成果。北航的王華明教授于 1995 開始 發動機整體葉盤。2012 年，憑借“大型復雜整體鈦合金結構件激光成型制造技 天內可以整體成型四氣門六缸發動機缸蓋砂芯。而采用傳統的砂型鑄造試制方法需要 5 結

7、快速制造領域世界領先水平。 工藝方法要走的路還很長。增材制造除了不具備規模經濟優勢以外，材料/功能變形控制等都是影響增材制造發展和完善的瓶頸。）增材制造技術發展趨勢集成，應用范圍較窄向突破規模/成本/材質限制的方向提升和進化。航天航空工業可能產生顛覆性的影響。料料6無9圖 10 從塑料裝飾件向結構主承力件發展 圖 11. 增材制造的產品對比53金屬增材制造對于少批量產品具有減少模具成本，降低全壽命成本的優勢，門得到應用，但在民機領域尚無應用。還需在拋光，噴丸，等靜壓等后處理方法上突破，以提高增材制造產品的致密度和均勻性進而提高產品的疲勞壽命。量控制與適航審定能力（詳見表 工藝研究制備技術：制定

8、工藝參數， 粉末質量保障，設備穩定制備穩定/可靠的零部件 性保障熱處理技術：消除產品的殘 零件性能保障，批生產過余應力，改進微觀結構一體化設計：減少零件量，降低裝配成本 無損檢測噴丸，拋光，提高疲勞性能表 ）增材制造的 CAE 仿真技術的現狀性，追求“一次成功”來降低廢品率，保證性能的可靠性上真正超過常規工藝方法等問題上，需要建立一整套生產標準，質量檢測，安全論證的規范，以及快速 CAE 造的生命周期中各個階段的數據信息化管理將是解決上述問題的不可缺少的輔助手段和強有力工具。微小厚度（m）和特定形狀的截面，然后通過激光把粉末熔化，再通過冷卻它 CAE 軟件不能滿足增材制造過程仿真分析的特殊性和

9、技術開發需求。增材制造的整個制造過程(粉末的熔化和凝固以及堆積 )需要考慮金屬金相變化的熱機耦合時域仿真。使用通用CAE 軟件需要花數百個小時，甚至幾周才能得到仿真結果，遠遠跟不上增材制造增材制造產品的有限元網格需要嚴格地與 CAD 目前通用的網格劃分工具進行建模帶來了極大困難。需要指出的是,雖然增材制造被認為是一種巧奪天工的技術，幾乎可以造出任何形狀的物品，這給各 CAE 成型過程只是增材制造的第一步，還需后續工藝，比如等靜壓，切削，熱處理，表面處理來完善產品。目前急需能夠覆蓋整個工藝流程（圖/快速計算的增材制造專用 CAE 仿真軟件問世，以促進增材制造工藝體系的建立以及加速企業有關核心能力

10、的提高。圖 3）本研究的創新點為建立、建設企業在增材制造領域的設計、制造、研發能力，進一步提高制造工藝設計相關的研發能力建設。由于增材制造過程涉及很多復雜的工藝參數和設備等的條件，國內外增材制造企業和相關研究機構主要基于實物物理試驗的手段進行產品的工藝設計和 分析工藝方案的分析和對比，制造出高質量、滿足使用和性能要求的 3 D 對企業大幅降低研發成本和提高研發效率非常有益。因此，本研究對目前市場上已有的 CAE 分析工具進行綜合全面的調研和試真?熱靜等壓處理?切削?表面處理等選擇適用的 CAE 分析工具輔助進行工藝的優化設計和工藝參數的優選，推動后續研發和制造工作的順利開展。作為易學、易用且滿

11、足工程精度的增材制造專用仿真分析軟件，仿真技術需要突破以下幾種技術和滿足以下幾種要求。1. 由于目前的網格劃分技術不適合準確描述增材制造所特有的切片模型和 CAD 進行自動切片, 并具備對計2.能夠自動讀入打印機的工藝參數（打印方向，打印路徑，熱源量）以減輕仿真條件設置的負荷；3.產品進行宏觀（Macroscopic）計算以求計算效率的提高，使用多核并行計算的時間控制在1-2小時之內（圖4.增材制造過程的仿真計算結果與其它后續工藝過程仿真能夠有機結合和傳遞，保證熱處理，靜等壓，切削，表面處理能夠一氣呵成地完成工藝鏈的仿真模擬；5.增材制造的仿真系統能夠與增材制造的材料生命周期管理系統無縫連接，

12、使其在許用值確定，粉末質量保障，制備穩定性保障，零件性能保障，批生產過程與方式的質量與適航符合性保障發揮更大的作用。4）擬采取的技術方法和途徑經過前期對增材制造過程進行仿真分析的工具的調研發現，目前MSC公司企業目前的要求，可以模擬基于鋪粉方式的金屬結構的增材制造過程。通過Simufact. AM 不僅可以虛擬再現增材制造過程，預測增材制造過程中以及結束計，幫助預測是否存在不充分的支持以及結構發生裂縫的可能性。圖13提供了專門的前后處理工具用于進行增材制造仿真分析模型的建模和結果的提取?；诘南袼鼐W格技術設計人員可以快速的進行任何復雜結構的網格劃的預測結果。圖圖通過設計人員不僅可以在工藝設計階

13、段虛擬再現整個增材制造過程，預測略是否滿足設計和使用要求；還能夠根據產品結構自動計算和建議并建立支撐/于物理試制等的時間和人力成本的投入。圖16公司另一個在金屬加工成型仿真分析領域的主要產品可以模擬基于送粉、送絲方式的金屬材料激光3D打印過程?？梢蕴摂M再現金屬材料的激光3D3D打印過程中以及打印結束后的結構的變形和最終形狀、可以進行支持/支撐結構（位置、強度/剛度）的輔助設計。圖 通過設計人員不僅可以在工藝設計階段虛擬再現整個3D構的變形/最終形狀、殘余應力的分布等，幫助檢驗當前所采用的材料、打印策略、支撐/支持的設計是否滿足設計要求，還能夠在進行物理試制之前及時地發等的成本投入和用于物理試制

14、等的時間和人力成本的投入。增材制造技術面臨著從設計到生產階段的眾多挑戰。部件廠家和領先的增材制造研究人員已將以下因素確定為造成增材制造產品設計及售后性能不佳的一些關鍵指標。1.缺乏對增材制造過程的材料生命周期的管理；2.對影響材料性質的制造可變性所進行的研究不準確；3.打印機、工藝控制參數變化范圍大，影響了增材制造部件的質量。MSC 公司的材料中心（MaterialCenter）是下一代的材料生命周期管理系的“試驗過度”及“試驗不足”問題。這一現成的商業解決方案已應用了20多 改善了增材制造部件和總成的最終質量。材料生命周期管理（MLM）是產品生命周期管理（PLM）的子集，在項目與 18 舉例

15、說明了材料生命周期管理的各個生命周期階段。傳統的材料生命周期管理系統無法解決增材制造工藝帶來的難題。下一代材制造整合到實物和虛擬試驗以及 的一部分。1.完整增材制造工作流程與審批手續整合；2.各個生命周期階段期間的材料可追溯性；3.實物/虛擬制造及試驗的增材制造機器的數據/過程管理；4.支持第三方軟件及數據庫開放接口的過程引擎；5.支持 PDM/CAD/CAE/EAM/MES 獨立系統；6.源于/用于 CAD 和 CAE 解算器的導入/導出；7.公司實體范圍內/外的安全及可控的數據交換。圖19源自在賓夕法尼亞州立大學和美國陸軍所進行的多年研究建立的一種能夠對材料或部件/打印機/流程/增材制造行

16、為進行虛擬化。其集成框架可為指材制造流程。可將該系統當作制造屬性/機器以及流程鑒定參數的資料庫。圖19.增材制造的材料生命周期管理系統它的內制模板可構建或導入材料 /打印機/工藝/試驗數據。該系統利用Excel 集成來映射并導入用于增材制造及各種試驗方法的定制模板。例如：1.增材制造電子束沉積；2.增材制造定向激光束沉積；3.增材制造粉末層融合（圖4.增材制造熔融沉積造型；5.各種拉伸試驗（斷裂韌度 6.它能自動采集結果用于對比、置信度評估及認證這些結果在材料生命過內置的統計工具建立起材料生命周期各個階段的數據之間的相關關系和可追溯性,如圖 個環節的經驗和數據, 健全企業的增材制造管理體系,從而保障產品質量的穩定性,工藝參數的一致性。 5）預期目標在過去 25 技術始終面臨著各種難題和挑戰。先進的CAE仿真技術以及材料生命周期的虛擬管理系統，能夠幫助企業提率，提高適航符合性。本研究擬達成的最終目標是