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挑战及潜在应对方案之有限元分析(FEA)与3d打印

对3d打印工程部件进行结构评估,传统的有限元分析方法面临新的挑战。受3d打印工艺的影响,在CAE软件中对模型进行均匀性、各向同性假设不再是安全的评估方法。实际上,3d打印出来的实体结构并不像外部看起来那样,3d打印过程是从零开始、逐层累积的,可精确控制形成类似蜂窝的内部截面结构。

3d打印蜂窝结构

3d打印设计的一大目标是:所优化制造的产品既能满足特定结构应用需求,又同时保证其用料最省、质量最轻。然而在这一过程中,3d打印技术前几十年尤其要进行材料强度和性能测试。毕竟,现在所有材料的应力应变曲线数据都是基于传统方法加工的各向同性实体测得的。

基于这些实验测试曲线,我们得到了大量表征材料强度的基本参数,包括材料屈服强度、耐久性和延展性等。即使使用的是传统的各向同性工程材料,3d打印出来的产品材料也不是真正的各向同性。

1、零件属性、材料审查及3d技术发展速度

当设计师们想把这些打印结构件用于工程系统时,由于缺乏足够的材料强度测试标准、出版物及资料,他们在判断产品结构能否能满足特定应用时面临挑战。3d打印产品属性还没有进行这一水平的材料审查,所以当工程师把把3d打印部件用于工程系统时,即使缺乏标准测试方法(ASTM或MIL标准)他们也必须保证零件在特定应用中满足结构强度要求。

进一步加剧这一问题的是,不同类型的3d打印工艺越来越多。简单搜索互联网就能发现世界各地几十种打印技术,他们当中只有极少数在开发过程在建立了初步的测试/验证标准。

这些完全尚未涉及到3d打印材料测试方法,来为更为前沿的材料力学领域(如断裂力学、高温蠕变行为等)建立标准。在YouTube上很容易找到业余爱好者们对不同的打印部件进行各种测试,但是离为3d打印材料建立安全可靠的测试标准仍有很长的距离。

2、有限元分析现状

在有限元分析学科,总会对模型进行各种简化和假设,来使实体模型行为看起来像是3d打印零件,模拟过程会包含复杂的内部孔隙等。这类方法(弹性分析)需要指定当前测试的精确的弹性行为参数,比如弹性模量、密度、泊松比等。如果手上有些可用于打印件的测试数据,通过这种方法工程师们可以来模拟实体、各向同性零件(一般要导入某种类型CAD数据),它们看起来就像是3d打印件。

然而即使在最好情况下这种方法仍然只是近似,它难以获得其他依赖于真实材料几何结构的关键FEA输出结果(如应力等)。因此,实际应用时对每个输出结果都要仔细检查。通过足够的努力和近乎无暇的工程判断,理论上经验很丰富的工程师能够通过FEA输出结果来推断真实打印件的受力状况。

3、精确零件几何的显式模拟

其他最粗暴的方法是对真实零件几何进行显式模拟。首先要完全掌握零件细微的几何结构,包括打印过程可能出现的每个孔隙,这样才能建立有效的模型。此外,对几何和零件内部所有孔隙进行显式计算有可能是模型的复杂性呈指数增长,问题求解变得更为困难,计算消耗的时间更长。

目前,他的可行性非常有挑战。对那些喜欢编写精妙程序和脚本的非常聪明的FEA分析家来说,这可能是完美方案。

4、现状与未来

尽管含这些内部特征的部分模型可以简化为3D“格状”面,一个模型中同时混合2D/3D单元有时会使问题更为复杂,出错的概率更大,更别提如此多大细节会使单元数量和分析数据大大增加。FEA模型规模越大,消耗的计算资源越多,所花费时间越长。

从计算和前处理的角度来看,真正需要的是某种算法可以预定义标准化蜂窝、孔隙结构,它能精确指定哪些内部节点是空的,材料参数定义时设为空值。然而,有限元求解器必须能支持这样的设想。

看起来似乎是无法避免这一事实:为了使3d打印零件能广泛应用于工程零件中,每项技术不得不重建并证明其零件结构适用性的潜在基础。就这一点而言,关键的第一步可以在ASTM标准WK46188中发现,它指定了粉末床增材制造系统生产和试样质量标准。

这一方法在航空和医疗植入领域用来制造小体积、安全至关重要的部件。尽管这只是建立质量标准的一小步,最终它会包含所有的3d打印方法。这一标准是ASTM增材制造技术国际委员会F42付出大量努力的一部分。

5、短期目标与软件发展

不断涌现的3d打印技术的短期目标是进行标准化,并重现固体材料基础的各向同性。更长期的目标则是在减重和减少材料成本的同时,优化提高这些材料的性能。

对工艺质量和测试标准的开发已在进行中,期望这些工艺能够重现传统方法加工出来的材料的强度参数。然而,收获这一技术的果实以及把它置于传统工程有限元分析方法保护伞下仍需要时间。

从软件开发角度来说,它需要FEA软件开发商们合作努力,使求解器能模拟解决有复杂内部结构3d打印零部件中存在的问题。在那之前,尝试开发出新方法的FEA结构工程师们要非常谨慎。

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