引言

ANSYSexaSIM?是一系列金屬增材制造（AM）仿真工具，有助于深入了解關于激光粉末熔融的復雜物理現象。exaSIM能針對殘余應力、變形和構造失敗生成實用的解決方案，使用戶能夠實現部件容差，避免構造失敗，同時盡可能減少試錯試驗和應力消除熱處理。STL文件能自動進行變形補償，以抵消部件生產過程中出現的變形。

本案例研究展示了如何使用exaSIM變形補償功能，根據制造過程中預測的應變對部件的STL文件進行反向變形。當使用補償后的STL文件生產部件時，在構建過程中部件會逐步變形成正確的形狀。

精確的基于路徑的關鍵路徑時序

當采用激光熔融金屬粉末時，收縮應變會隨著每個位置的熔融和冷卻而積累。這些應變會產生應力，使部件變形與預期的形狀背離。變形的大小取決于幾何結構、過程參數和材料。exaSIM能仿真構建過程，利用逐層應變的積累來預測變形。此信息可用來評估特定的幾何結構和支撐結構如何影響組件的最終形狀。

自行車立管實例

GRMConsulting和BCIT提供了一種拓撲優化的自行車組件：

（參見圖1和http://www.grm-consulting.co.uk/bcit-bike-stem）。

Renishaw在AM250系統上使用鈷鉻合金構建了該部件。仿真顯示，減震架在從襯底上移除之后存在顯著的變形。一共構建了兩個部件（一個有進行補償，一個沒有進行補償），以測試exaSIM的預測功能和變形補償工具。

仿真和構建細節

研究人員利用exaSIMAdvanced和Ultimate中的各向異性掃描模式應變功能預測變形。構建參數和仿真假設如下表中所示。執行第一次仿真時，為機器/材料/過程參數組合確定合適的應變比例因子（SSF）。第二次使用校準后的應變比例因子執行仿真，以測試變形補償功能的精確度。

仿真調整

為了調整SSF，將圖2中的未補償部件與圖3中的第一次仿真結果進行比較。在部件與仿真之間比較所有圓的最佳擬合直徑和中心位置。研究人員找到能夠將仿真結果與底板上構建部件的絕對差總和降到最小的比例因子，以此確定SSF的值為2.34。第二次仿真時，為了更準確預測從底板上移除之后的變形，研究人員選擇了塑性變形（J2）。對于該幾何結構，當變形補償因子（DCF）是1時，截斷后的幾何結構與目標形狀非常接近。將exaSIM創建的STL文件（DCF為1）用作最終構建時的輸入幾何結構。

結果

如圖3所示，截斷后的第一次仿真結果預測減震架處（外圓）的變形最嚴重。exaSIM預測使DCF為1可以糾正此變形。如圖4所示，這些預測都十分準確。在通過變形補償文件獲得的幾何結構中，構建的減震架沒有變形；而如果使用初始幾何結構作為輸入來構建部件，減震架與預期的幾何結構之間存在顯著變形。這些結果表明，在從襯底移除后可利用變形補償實現精確的部件，無需進行熱處理。

結論

此案例研究展示了exaSIM變形補償工具的優勢。設計人員和AM機械操作人員可利用激光粉末熔融增材制造技術制造完美的部件，而且在將部件從底板上移除之前無需采用昂貴的熱處理和應力消除工藝。按照本案例研究中介紹的過程，exaSIM用戶可針對具體的機械/材料/過程參數組合來調整SSF并準確預測部件變形效果，無需額外進行試錯試驗，從而節省時間和成本。