實用標準關鍵技術：增材制造過程工藝模擬激光增材制造技術（俗稱激光3D打印）是融合了激光、計算機軟件、材料、機械、控制等多學科知識的系統性、綜合性技術。采用離散化手段逐點或逐層“堆積”成型原理，根據零件的 CAD模型進行切片分層處理，采用數控系統控制工作臺按照分層軟件設定的路徑進行掃描， 通過激光熔化金屬粉末層層疊加獲得近凈成形零件，增材制造技術徹底改變了傳統金屬零件， 特別是高性能難加工、構型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。在增材制造過程中，物體的創建是通過連續鋪設材料層直至創建出整個物體來實現的。 圖1說明了典型的增材制造工作流程。第 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1：標準增材制造工作流程從歷史上看，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礎原材料轉變為成品。這些技術采用沿用已久的設計 /加工方法、工具、設備（例如鑄造車間、車床、CNC等）、生產活動及步驟。增材制造（ AM）是常規制造方法的偉大變革。增材制造以 3D打印而廣為人知，是一種現代制造技術。圖文案大全實用標準2--圖4展示了這兩種類型的制造工藝。圖2. 傳統制造 圖3.增材制造（激光送粉） 圖4.增材制造（激光鋪粉）澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的未來制造技術主管 SweeMak 博士在2014年6月4日的Hunter研究基金會會議上展示了圖5。他總結道：“與對一整塊成品材料進行加工以制造出產品的傳統消減制造方法相比，增材制造方法不僅速度快、能耗低，而且減少了廢料。”圖5增材與消減制造對比全球增材制造市場包括 3D打印機、材料及服務提供商。到 2020 年，整個市場（不包括材料）的價值有望達到 114億美元；2016 至2020 年間，預計年增長率為 21.0%。圖6（a）和圖6（b）列出了全球增材制造市場近年的發展及主要行業的市場占有率。文案大全實用標準圖6（a）：全球主要增材制造市場 圖6（b）：采用增材制造技術的行業二十世紀末，制造技術的發展產生了對新類別工藝（即“增材制造” ）的需求。2016 年3月3日，在美國南卡羅萊納州查爾斯頓舉辦的 SHIPTECH2016 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。優勢挑戰1.制造復雜部件1.材料研發，數據積累滯后2.產品多樣化，不增加成本2.功率源開發滯后；3.生產周期短3.質量的一致性，打印機的穩定性4.零技能制造4.最終形狀的變形控制5.不占空間，便攜制造5.凝固組織，內部缺陷質量控制6.節省材料6.晶粒尺寸，晶粒形態和取向的控制表1：增材制造工藝的優勢/挑戰1）關鍵技術的難點過去25年間，增材制造技術突飛猛進。但是，與材料、設備、機器 /工藝變化及應用等有關的技術難題一直是生產優質部件的主要考慮因素。文案大全實用標準圖7增材制造從設計到生產階段的各種挑戰從設計到生產階段的各種挑戰來自材料特性、工藝條件的不確定性以及打印機/工藝/材料特性的相關性等多個方面：材料特性：當前，3D 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、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。打印機/工藝/材料特性的相關性：值得注意的是機器間以及部件間的可文案大全實用標準重復性。需要對部件布局（部件放置以及構建角度均取決于打印機的能力）進行精調。需要通過進行一系列的“假設”研究和統計分析來估算與構建方向、速度等以及與材料強度的相關性，以便了解深層次的變化。大多數大中型歐、美國生產廠家都要日復一日地處理上述難題。 他們所表達的一些關注點如下：增材制造能否生產出輕量化、高性價比的優質產品？采用增材制造技術是否是明智之舉？我應當對物流/供應商提出哪些建議？什么是關鍵變量靈敏度矩陣？表面加工為何會過于粗糙或過于精細？粉末廢品率為何會如此之高？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2.1）增材制造技術現狀增材制造在航空航天行業受到了廣泛的關注。 各大企業對增材制造技術的研究和推廣都做出了重點布局。 空客建立了增材創新中心， 并與高校、設備制造商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。空客公司生產的軍用“臺風”戰斗機，使用了3D打印的空調系統。空客還提出 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。波音公司開發出文案大全實用標準一種懸浮式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打印零件。GE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8），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，之后再由國際空間站宇航員在例行出艙活動期間發射到預定軌道。該大學科學家認為，采用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2.5m，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8GELeap 發動機燃料噴嘴 圖9西北工大制造的飛機主承力梁（長 5米）`國內近年來增材制造的開發和研究也有了長足的進步。 以北航的王華明教授，西北工大的黃衛東教授，華中科大的史玉升教授等為代表的大學， 研究院在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開始金屬激光增材制造的研究，為國產 C919，J15等提供航空結構件，其中包括航空發文案大全實用標準動機整體葉盤。2012年，憑借“大型復雜整體鈦合金結構件激光成型制造技術及裝備”獲得國家技術發明獎一等獎。華中科大利用增材制造技術生產六缸發動機蓋，7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個月。華中科大還為空客和歐洲航天局制作飛機， 衛星，航空發動機用大型復雜鈦合金部件的鑄造蠟模。其設備成型空間為 1.2米x1.2米，達到激光燒結快速制造領域世界領先水平。正如王華明教授所說，3D打印不是泡沫也非“神器”。增材制造作為成熟的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 /功能源的開發滯后，各種金屬材料最佳燒結參數的積累， 凝固組織，內部缺陷質量控制，及其無損檢驗關鍵技術，晶粒尺寸/晶粒形態趨向的控制，后續熱處理工藝，變形控制等都是影響增材制造發展和完善的瓶頸。2.2）增材制造技術發展趨勢增材制造的技術在設備的成本， 效率，功能方面發展迅猛，正從塑料快速原形向金屬零件；單一材料向多種材料和嵌入結構； 單一增材制造向和切削加工的集成，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。而在航空航天中的發展趨勢體現在非金屬部件向金屬， 復合材料；功能結構件向次承力，主承力結構；結構件替換向結構的重新優化設計； 單一性能材料向功能梯度材料；零件級制造向部件級制造， 機器人智能制造等爆炸式發展， 這對航天航空工業可能產生顛覆性的影響。裝飾件功能件次承力件主承力件材料塑料鋁/鈦鈦/鋼/新材鈦/鋼/新材料料設計替換設計替換/優化優化優化制造快速/成本高快速/成本高難度大難度大文案大全實用標準適航審定 無 無/簡單說明 強制 強制成熟度 9 6 5 3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，性能上與鍛件相當或高于鍛件， 用來替換現有鈦合金鍛件， 已經在航天、軍機部門得到應用，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。企業的增材制造的核心能力建設， 將注重優化設計能力，工藝研究能力，質量控制與適航審定能力（詳見表 2）。優化設計工藝研究質量控制/適航審定許用值確定：建立流程，積累數制備技術：制定工藝參數，粉末質量保障，設備穩定據，建立生命周期各階段的數據制備穩定/可靠的零部件性保障庫以及建立數據的相關性和可追溯性。拓撲優化：仿生學設計，培養工熱處理技術：消除產品的殘零件性能保障，批生產過程師拓撲優化能力余應力，改進微觀結構程與方式的質量與適航符合性功能梯度材料結構設計：根據飛支撐材料移除：合理設計支高精度尺寸控制機不同部位的需求，設計功能材撐部件和打印策略，控制產料結構。品變形一體化設計：減少零件量，降低機加工和表面處理：精加工，無損檢測裝配成本噴丸，拋光，提高疲勞性能表2.企業的增材制造能力建設2.3）增材制造的CAE仿真技術的現狀與其他行業工藝的研究、設計、開發一樣，在提高增材制造產品的質量一致性，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文案大全實用標準法等問題上，需要建立一整套生產標準，質量檢測，安全論證的規范，以及快速提高企業的核心技術能力。而基于 CAE技術的增材制造過程的仿真，以及增材制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。增材制造是一種快速原形制造技術。 根據零件形狀，每次制作一個具有一定微小厚度（μ m）和特定形狀的截面，然后通過激光把粉末熔化，再通過冷卻它們逐層粘結起來，得到所需制造的立體零件。目前通用的 CAE軟件不能滿足增材制造過程仿真分析的特殊性和技術開發需求。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的設計開發進程，這將大大削弱增材制造本身的“快速原形制造”的優勢。同時，增材制造產品的有限元網格需要嚴格地與 CAD的逐層切片保持一致，這就給利用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供應商開發的拓撲優化軟件帶來了很大的用武之地。但是 ,由于后續切削，拋光，噴丸等工藝的限制，增材制造的形狀并不能真正做到想像的 “為所欲為”。另外，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 12），能夠簡潔建模/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的提高。文案大全實用標準圖12 增材制造專用 CAE仿真軟件覆蓋的工藝流程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，進一步提高企業的市場競爭力，與國內外同行業中的領先企業接軌， 企業有必要開展與增材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校驗，成本投入較大、研發周期較長。如果能夠引進先進的、專門的 CAE分析工具進行增材制造過程的虛擬再現， 在設計初期及時發現工藝設計相關的問題進行改正，從而減少廢料和廢品率；通過虛擬環境進行各種工藝參數的優化設計、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 打印產品，將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用，結合增材制造過程的各個環節， 從產品設計 拓撲優化 增材制造過程虛擬仿真 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。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層層疊加的加工方法，需要推出一種對CAD進行自動切片,并具備對計算模型進行規則的，“無失敗”網格(像素單元)的自動生成功能；文案大全實用標準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；能夠進行多尺度計算。對局部采用精密的微觀（Microscopic）計算以準確地算出焊點周圍的溫度變化和應變；利用等效溫度變化或等效應變對產品進行宏觀（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15）；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；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，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公司最新研發的專門用于模擬金屬材料增材制造過程的仿真分析軟件 Simufact.AM ，完全能夠滿足企業目前的要求， Simufact.AM 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后結構的變形和最終形狀、 殘余應力。并可以對微觀結構進行金相組織轉變、晶粒尺寸的計算，同時可以進行支持 /支撐結構（位置、強度/剛度）的輔助優化設計，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。文案大全實用標準打印結束時的仿真結果 —變形 去除支撐后的仿真結果 —變形圖13Simufact.AM進行增材制造仿真分析的案例Simufact.AM 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后處理，設計人員可以在友好的界面下方便、 快速的進行仿真模型的建模和結果的提取。基于 Simufact.AM 的像素網格技術設計人員可以快速的進行任何復雜結構的網格劃分； 它的求解器功能強健，設計人員可以從不同的層面根據計算速度要求和模型復雜程度選擇計算尺度。 在設計初期，設計人員可以從宏觀層面基于層積模型（固有應變）進行快速的建模和求解，從而進行工藝參數和打印策略合理性等的定性分析。 在設計的中后期，設計人員還可以從微觀層面出發進行完整的、高精度的瞬態熱機耦合分析模型的建模和計算， 獲得更為準確的對最終形狀、殘余應力等的預測結果。圖14.利用像素網格快速建模 圖15.高效率的宏觀計算結果文案大全實用標準通過Simufact.AM 設計人員不僅可以在工藝設計階段虛擬再現整個增材制造過程，預測結構的變形和最終形狀、 殘余應力的分布，幫助檢驗當前所采用的材料、打印策略是否滿足設計和使用要求； Simufact.AM 還能夠根據產品結構自動計算和建議并建立支撐 /支持結構，能夠在進行物理試制之前及時地發現由于不合適的打印策略和工藝參數設置可能帶來的產品的加工缺陷等。 為企業節約材料、場地等的成本投入和用于物理試制等的時間和人力成本的投入。圖16 采用不同的支撐 /支持設計對應的仿真結果對比 —變形與此同時，MSC 公司另一個在金屬加工成型仿真分析領域的主要產品Simufact.welding 可以模擬基于送粉、送絲方式的金屬材料激光 3D打印過程。Simufact.welding 可以虛擬再現金屬材料的激光 3D打印過程，預測 3D打印過程中以及打印結束后的結構的變形和最終形狀、 結構的殘余應力，并可以對微文案大全實用標準觀結構進行金相組織轉變、晶粒尺寸的計算，同時可以進行支持 /支撐結構（位置、強度/剛度）的輔助設計。3D打印仿真模型3D打印仿真結果—溫度（打印第一層）桌面支撐3D打印仿真結果—溫度（打印第n層）Baseplate3D打印仿真結果—變形baseplate分離后仿真結果—變形圖17Simufact.welding3D 打印仿真分析案例通過Simufact.welding 設計人員不僅可以在工藝設計階段虛擬再現整個3D打印過程，預測結構的變形/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現由于不合適的打印策略可能帶來的產品的加工缺陷等。 為企業節約材料、場地等的成本投入和用于物理試制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。缺乏對增材制造過程的材料生命周期的管理；對影響材料性質的制造可變性所進行的研究不準確；文案大全實用標準打印機、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（Material Center）是下一代的材料生命周期管理系統，已針對材料數據、工藝管理過程進行了優化， 解決了增材制造生命周期階段的“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多年（以前稱為 mVISION），它集方法原理、扎實的技術和先進的統計工具于一身，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，在項目與信息項屬性之間以及“試驗之前”、實際試驗周期及“試驗之后”信息項本身之間提供了關聯。因此它直接解決了復雜環境中的數據可追溯性問題。 這是由于系統為每個流程步驟保存了信息創建流程譜系。 數據被存儲為人和計算機均可解讀的信息結構，由此可判定每個信息項的確切背景。 圖18舉例說明了材料生命周期管理的各個生命周期階段。圖18.材料生命周期管理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。下一代材料生命周期管理系統專門針對這種情況進行架構的開發和實施， 可解決增材制文案大全實用標準造過程中從設計到生產階段的各種問題。 高級的材料生命周期管理系統還能將增材制造整合到實物和虛擬試驗以及 CAE、PLM/PDM 中。以下列舉了其眾多功能中的一部分。完整增材制造工作流程與審批手續整合；各個生命周期階段期間的材料可追溯性；實物/虛擬制造及試驗的增材制造機器的數據/過程管理；支持第三方軟件及數據庫開放接口的過程引擎；支持PDM/CAD/CAE/EAM/MES獨立系統；源于/用于CAD和CAE解算器的導入/導出；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企業級可擴展的下一代材料生命周期管理系統。基于網絡的直觀界面使工程部門能夠對材料或部件/打印機/流程/增材制造行為進行虛擬化。其集成框架可為指定部門向其他利益相關方提供精確的信息傳輸。其中包括金屬/非金屬/塑料的增材制造流程。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。文案大全實用標準AdditiveAdditiveProcessSimulationManufacturingShape/SizeDeformation,Residualstress,Cutting,Heattreatment,SimulationOptimizationHotIsostaticpressure,Fatigue,CrackPropagation,etc.3DCAD Topology STLFile GCodeFile BuildAM Cutting,heat Measuring,Design optimization Generation Generation Parts treatment,etc. testing,reportPDMMaterial,MachineParameter,TestDataManagement(TC,Windchill,Enovia)ProcessManagementStatisticalAnalysisQualityReportManagementMaterialCenterCustomer Reportbacktorequirement Customer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