增材制造（DfAM）让仿真技术大有用武之地（赠增材制造指南）
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Fabrisonic最新的NASA项目将应用在Atlas V火箭上
导读：近年来，随着国家对航空航天，机械制造，新能源汽车等行业的重视与投入，以及国民对日常消费品，医疗器具等领域需求标准的日渐提高，面向消费品和医疗行业，特别是大工业品的智能制造正在成为各个行业的核心诉求。在国外，智能制造更加深入人心。据报道，Fabrisonic利用SonicLayer 1200 3D打印机为NASA的喷气推进实验室（JPL）创建了价值更高的卫星热交换器，并且通过了NASA的喷气推进实验室的严格测试。
Fabrisonic制造的3D打印热交换器
尽管如此，但是国内外很多行业产品更新和发展受到传统制造方法的制约，因此，增材制造技术以其独特的设计和制造思维走入大众视线。传统的产品设计通常不是以功能为导向，而是需要考虑设计出来的产品是否能够制造出来，这样就大大限制设计的自由度，也会造成整个产品性能没有完全发挥出来。例如，散热效率的提升是很多行业的急切需求，受制于传统的铸造以及切削工艺，冷却流道很难做到随形。此时，增材思维的先进设计发挥其固有的制造优势，即通过逐层累积的方式来制造零部件，将现实中的三维物体简化为层层堆积的二维平面问题，大大解放了设计师的工艺约束，使随行冷却成为可能。相似的，增材制造在对产品的轻量化和一体化过程中也发挥了巨大的优势。图1常规钻孔技术 v.s. 随形冷却流道 （增材制造设计（DfAM）指南）面向增材制造的设计又称DfAM（Design for Additive Manufacturing），他集成了对产品创新设计、仿真优化、增材设计、增材工艺及生产控制的全方位解决方案。这一套设计流程与产品设计一直倡导的正向设计相辅相成。它从产品功能需求出发，利用增材思维使产品设计师与工程师摆脱传统制造方法的束缚，突破技术的瓶颈，设计出功能最优、材料最省、效率最高的结构形式。不难发现，仿真优化在这个过程中占据举足轻重的地位。由于增材制造零件的复杂结构大大增加了实验成本，CFD和FEM的仿真计算就可以最大程度的降低实验成本，发挥模拟仿真的优势。面向产品设计的DfAM全方位解决方案中既包括传统的仿真计算，又包括针对增材制造的仿真计算。其中传统的仿真计算所运用仿真软件主要有拓扑优化软件，结构分析软件和流体分析软件，而针对增材制造仿真软件主要是模拟增材制造过程中的工艺参数，例如预测由于工艺参数的不同而造成增材制造零部件的变形失真、残余应力、热缺陷、结构缺陷等。总之，仿真工程师在DfAM全方位解决方案中有很大的用武之地。下面以换热器的热分析为例，来传统流体CFD计算在基于增材思维的先进设计（DfAM）流程中的作用。换热器广泛应用在航空航天，汽车制造等领域，其换热效率很大程度上制约了相关行业的发展。而换热器内部的换热面积是制约换热效率的关键参数。受到传统制造工艺的限制，增大换热器内部的换热面积成为设计瓶颈，而增材制造工艺凭借其设计自由度制造出结构繁，尺寸小的微通道或散热胞元，最大限度的提升单位体积内的流道换热面积。在考虑换热器内散热，压降等需求和增材制造工艺条件之后，按流程对设计出的结构进行传统仿真分析，进而获得内部的内部流体结构，换热特性等量化参数。若计算参数满足设计需求，侧进行流程的下一步，既对增材制造的工艺进行仿真计算；若计算参数未满足设计需求，则返回流程的上一步，有针对性的改进设计结构。
图3 某航空涡轮发动机截面结构（a）ANSYS CFX仿真结果（b）（来源：ntopology）
虽然提到增材设计时大家总是将其与设计自由联系在一起，然而设计自由并不意味着盲目的天马行空，DfAM同样应该遵循用于生产的增材制造技术的特定工艺约束。例如，在决定应用DfAM之前，我们应该首先考虑待设计/生产的产品是否适合增材制造。考虑的因素有：制造时间的要求，产量要求，成本考量，个性化定制，产品结构复杂度等。经过对以上因素仔细评估决定使用DfAM之后，工程师和设计师在专注于详细设计之前考虑对传统零部件重新设计，使其更适合增材工艺的 “ 面向增材的设计”。增材制造的设计指导原则应随不同的增材工艺，几何结构，材料和产品功能而变化（例如，涉及到粉末床熔融的增材制造工艺（SLM,SLS等）的产品，在设计时要考虑结构中最小孔或槽的尺寸和壁厚之间的关系，以便于后处理中的除粉过程，而这就不是无粉末的增材工艺在设计时的重点考量因素），但有许多基本原则几乎可应用于任何形式的增材制造。
1、对尖锐的边缘进行倒角/圆角的处理，以避免影响产品强度的应力集中。这样做也使产品更符合人体工程学。
2、在设计时要考虑产品各向异性的方向，既强度要求相对较小的方向要为打印中的竖直方向，最大强度方向为打印中的水平方向。
3、打印高度也会影响增材制造的成本，因为产品的总高度决定了打印的材料层数，进而打印需要多长时间。
4、设计时尽量避免大块材料结构，因为这不但会极大增加成本还会导致大量残余应力。在传统设计中的大块材料结构均是由于制造工艺的约束，而通过增材制造与拓扑优化的结合可以实现这一效果。
- 5、支撑的添加是大多数增彩工艺的必须考虑因素，支撑材料的放置和数量极大地影响了零件质量和后处理成本，因此在设计过程中必须仔细考虑支撑使用。
面向增材制造的设计（DfAM）是一个思考过程，以建立不同于传统制造的增材思维。在此过程中需要做出谨慎的决策，而不仅仅是盲目地遵循一套设计规则。利用多尺度增材工艺仿真分析套件，宏观尺度预测零部件温度历史、变形、应力分布、刮刀碰撞、高应变区域，输出基于应力优化的工艺支撑及反变形设计的变形补偿模型；微观尺度预测熔池尺寸、孔隙率、微观组织等，帮助用户优化工艺流程，降低废品率。这一阶段体现出工艺仿真工程师的极大价值。
图4 ANSYS AM工艺仿真系列软件 ANSYS Additive
DfAM作为新兴的制造手段，很多人将其简单的等同于车铣刨磨或快速成型的一种新工艺技术，实际上，增材制造的独特优势在于，作为在数字技术驱动下回归自然界“生长造物”的新方法，使得最终制品的成型与定性得以同步完成。而要最大程度的发挥增材制造的优势就需要设计工程师有对“基于增材思维的先进设计与智能制造”的深入理解。近日，机械工业出版社华章分社联合安世亚太，推出的国内首场围绕DfAM的线上主题活动“安世亚太增材赋能业务DfAM技术分享会”，带领大家共同破译DfAM的内涵，领略被DfAM释放潜能后的增材制造即将散发怎样的迷人魅力。感兴趣的朋友可以关注。
作者：张老师，美国Colorado State University环境工程学士，环境流体力学硕士，具有多年的CAE仿真分析从业经验，仿真秀专栏作者，3D科学谷科普作者。
学习或工作经历：曾担任美国科罗拉多州立大学基础流体力学实验课讲师（包括CFD应用内容）。近几年从事关于增材设计相关技术的模拟计算。分析内容涉及基本流场计算，能量热量分析，化学反应参与的流场计算，3D打印工艺中的晶格热力学分析等。涉及领域包括增材设计打印机设计制造，增材设计打印产品评估优化，饮用水处理分析等。曾参与项目简介：美国科罗拉多公共卫生和环境部门（Colorado Department of Public Health and Environment ，CDPHE)饮用水消毒阶段处理；第三世界国家（南非）饮用水消毒解决方案；美国加利福尼亚州Buckingham Park Water District Disinfection system饮用水消毒池的设计。声明：原创文章，首发仿真秀APP，部分图片源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。喜欢作者，请点赞和在看 
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