案例分享 | 灵活的增材制造工艺：仿真技术如何支持3D原型设计

背景

    来自弗兰克尼亚（Frankonia）行政区乔治斯明德（Georgensgmünd） 的MBFZ toolcraft GmbH与其汉堡的软件合作伙伴Simufact Engineering一起优化了ABB Turbo Systems AG增材制造生产的涡轮机叶轮。通常，这些组件应用在重型机械和车辆的驱动单元中，例如柴油机机车，越野卡车或自卸卡车。根据不同的应用领域，制造商要求该组件需要具有较长的使用寿命和较高的耐磨性，以使其能够承受机械和热的负荷。

挑战

    从原型设计到批量生产以及批量生产中面对的挑战。

    花丝叶片的几何形状通常是通过适合批量生产且坚固的生产工艺——铸造工艺来生产的，但是，在确定新叶片几何形状满足具有所需性能之前，需要对原型或小批量进行多次测试。某些特殊情况下，也可以根据所需零件的数量来确定制造工艺——测试所需要的涡轮机叶片也可以通过非常小批量的铸造来实现。通常，这些工艺是非常耗时且成本高昂，因此只有不超过两个原型可用于开发最终的批量涡轮。从这个角度来讲，增材制造技术早已成为可以节省时间和成本的关键技术，此外，该技术具有非常大的灵活性，这也是原型制造领域所需的最重要的因素之一。借助这种创新的制造工艺，可以在很短的时间内生产出各种���轮叶片。最终可以获得一个较好的产品。MBFZ toolcraft 在涡轮叶片生产的整个增值链中的体现了极具价值的高制造能力。在MBFZ toolcraft和ABB Turbo Systems AG之间的合作框架内，可以从一开始就结合产品设计和3D打印来实施。

方案

   1. 仿真可提供有关零件变形和应力的可靠信息。    

    对于MBFZ toolcraft，在制造原型中最大的挑战是保持所需的公差和尺寸精度。这里的决定因素就是增材制造工艺过程中产生的变形大小。为了控制变形尽可能地小一些，MBFZ toolcraft依靠Simufact Additive增材制造工艺仿真来解决。通过使用用户友好的、面向增材制造的工艺仿真解决方案，MBFZ toolcraft通过适当的工艺参数，可以最大程度的减小变形，在无法避免的位置进行变形自动补偿。采用这种方式，MBFZ toolcraft可以实现满足所有公差要求的增材制造，也避免了耗时的重复工作。

图1:仿真有助于保持严格的公差，从而减少组件的变形

    2. 仿真可以发现构建过程中的问题与挑战

    仔细观察涡轮叶片的构建过程可以清楚地发现其中的挑战与问题。

    由于组件的几何形状和热应力，在打印过程中会产生高的应力。这是由于特殊的几何形状特征，一方面具有多材料大体积的实体核心，另一方面，叶片结构非常精细。因此，组件横截面将产生较大的变化，在制造过程中的将产生较大的残余应力，这些结果导致对变形有高度敏感性。

    MBFZ toolcraf通过���细地仿真分析解决了这些问题，并将关键位置确定好，在此基础上，采取了相应的措施来解决变形问题。这包括设计合适的支撑结构以减少扭曲变形，从而确保安全的构建过程。当然，个别案例中，在基板上打印一个理想的组件定位也是非常有用的。最后一步是基于定量变形分析对变形进行自动补偿，从而确定剩余变形情况。通过这种方式可以获得打印准备。得幸于此种仿真方法，MBFZ toolcraf 获得了小变形的结构件，并且使组件在满足所有条件下“一次就打印成功”。

图2:从设计到生产完成——尽可能地减小变形这归功于Simufact Additive

     增材制造的工艺仿真使得MBFZ toolcraf 能够灵活、快速的响应客户的要求，例如更改设计、显著缩短上市时间。强大的仿真解决方案所提供的虚拟工程，使得3D打印项目的开发过程更加紧凑。而这种方法的实现完全得益于可靠的增材制造仿真软件Simufact Additive。