01保時(shí)捷GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車(chē)簡(jiǎn)介

高性能運(yùn)動(dòng)跑車(chē)的制造數(shù)量有限，每年大約幾千輛，于是Ampower率先在該領(lǐng)域展開(kāi)了增材制造的應(yīng)用研究。Ampower 看到了增材制造技術(shù)在汽車(chē)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)以及底盤(pán)系統(tǒng)的巨大應(yīng)用潛力。 

Ampower 對(duì)高端汽車(chē)增材制造技術(shù)的應(yīng)用做了相關(guān)研究——以保時(shí)捷 GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車(chē)的排氣管部件為研究對(duì)象，采用Simufact完成了整個(gè)增材制造工藝鏈分析。排氣管部件是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的外觀部件，因此對(duì)它的美觀性要求也很高。

排氣管部件通常采用不銹鋼或鈦合金材料制造。傳統(tǒng)的排氣管兩層鈑金通過(guò)深沖成形加工后通過(guò)焊接組裝到一起?？紤]到該零件工作狀態(tài)下要面臨的振動(dòng)環(huán)境和腐蝕工況，對(duì)排氣管部件的機(jī)械性能也有特定的要求，尤其是需要注意焊縫區(qū)域應(yīng)力集中情況。另外，排氣管部件往往受到整體設(shè)計(jì)迭代的影響，例如一旦深沖模具需要重新制造會(huì)帶來(lái)非常高的成本投入以及訂貨交付時(shí)間嚴(yán)重超時(shí)。然而，增材制造在應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變更方面的潛力是不容忽視的。設(shè)計(jì)變更不僅必須考慮部件本身還需考慮周邊組件、功能和裝配步驟等。對(duì)于增材制造而言，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變更的優(yōu)勢(shì)是：無(wú)模具制造（將大大縮短產(chǎn)品投入市場(chǎng)的時(shí)間）、實(shí)現(xiàn)均質(zhì)材料特性（將有效提升產(chǎn)品質(zhì)量）、部件的數(shù)量減少與之對(duì)應(yīng)的裝配工序減少（實(shí)現(xiàn)定制化設(shè)計(jì)）。

圖1 增材制造工藝鏈

圖 1 展示了排氣管部件的增材制造工藝鏈，采用激光束粉末床熔融技術(shù)進(jìn)行加工，其中在Simufact Additive中仿真模擬了由增材制造打印任務(wù)、熱處理、基板切割支撐移除、熱等靜壓這幾個(gè)關(guān)鍵階段。

圖2：保時(shí)捷 GT2 RS 運(yùn)動(dòng)跑車(chē)排氣管部件設(shè)計(jì)變更，打印和后處理

圖 2 顯示了在Simufact Additive中采用鈦合金 Ti-Al6-4V 材料進(jìn)行打印過(guò)程仿真的結(jié)果。仿真計(jì)算過(guò)程中，結(jié)果可實(shí)時(shí)查看。

圖 3：Simufact Additive 仿真結(jié)果（左）打印件掃描結(jié)果（右）

對(duì)于復(fù)雜的自由曲面，采用光學(xué)3D掃描，例如：?？怂箍档臏y(cè)量設(shè)備以及計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）可以精確的測(cè)量打印件的幾何。在本次研究中，CT 圖像結(jié)果被用于評(píng)估仿真工具的可靠性，例如變形情況預(yù)測(cè)和變形補(bǔ)償。從打印結(jié)果可以看出整體精度主要受到粉末床熔融過(guò)程中殘余應(yīng)力（材料以每秒上千度的速度冷卻時(shí)產(chǎn)生的）導(dǎo)致的變形和部件收縮的影響。

圖4：在Simufact Additive里直接進(jìn)行收縮線探測(cè)（左：打印件 右：仿真結(jié)果）

激光束粉末床熔融工藝仿真采用 Simufact Additive 軟件，通過(guò)固有應(yīng)變方法完成求解。CAD 模型采用體素單元進(jìn)行離散化，結(jié)合部件的壁厚，設(shè)置體素單元尺寸為 2mm。仿真結(jié)果包括應(yīng)力分布和變形的預(yù)測(cè)以及最終形狀的輸出。圖 3 對(duì)比了仿真結(jié)果與CT測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹椒抡娼Y(jié)果與實(shí)物測(cè)量結(jié)果吻合的較好，表面偏置情況和變形量與實(shí)際完全符合。通過(guò) Simufact Additive 進(jìn)一步預(yù)測(cè)了成形缺陷“收縮線”。這些收縮線發(fā)生在匯聚部位的層與層之間，在凝固過(guò)程中留在表面上，外觀可見(jiàn)。圖 4 中可以看到實(shí)物打印部件的上部區(qū)域出現(xiàn)了收縮線，而仿真軟件準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了這一成形缺陷，下一步可以基于該結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。 

02價(jià)值體現(xiàn)

本研究揭示了激光束粉末床熔融工藝在汽車(chē)薄壁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。然而，該工藝相對(duì)較高的成本將限制其應(yīng)用范圍為：小批量、高端產(chǎn)品的制造。Simufact Additive 準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了變形和收縮線，并可以基于仿真結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)一次成功打印的目標(biāo)。

03?？怂箍翟霾闹圃旆桨?/strong>

?？怂箍礢imufact增材制造工藝仿真包括：金屬粉床熔融（PBF、SLM、DMLS等）、金屬粘結(jié)劑噴射成型（MBJ）的增材制造工藝、以及送絲送粉的增材制造工藝（DED）。

針對(duì)于粉床熔融的增材制造工藝仿真，?？怂箍礢imufact Addiitive支持全工序鏈的仿真分析，包括：構(gòu)建（打?。⒕€割、支撐移除、熱處理、熱等靜壓（HIP）等，通過(guò)模擬可以有效預(yù)測(cè)變形、開(kāi)裂、塌陷、刮刀碰撞、收縮線等失效問(wèn)題，支持多種類(lèi)型的支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)入與創(chuàng)建，支持支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化、支撐方向優(yōu)化、考察基板變形、成本分析、反變形、自動(dòng)變形補(bǔ)償?shù)裙δ?，向?qū)讲僮髂Ｊ较虏捎靡绘I式網(wǎng)格劃分，高效、簡(jiǎn)易的前處理界面與后處理界面融為一體，極大地提高用戶仿真效率。

針對(duì)金屬粘結(jié)劑噴射成型，?？怂箍礢imufact Addiitive 專(zhuān)業(yè)的MBJ模塊，可以進(jìn)行該工藝的燒結(jié)過(guò)程仿真，可以考慮粘結(jié)后的零件的致密度、燒結(jié)過(guò)程中的重力影響、通過(guò)輸入燒結(jié)工藝曲線仿真分析燒結(jié)過(guò)程中的收縮變形，而且具備自動(dòng)迭代補(bǔ)償變形的功能，能夠自動(dòng)迭代補(bǔ)償變形結(jié)果，幫助用戶解決燒結(jié)收縮變形等問(wèn)題。

針對(duì)送絲送粉增材制造工藝仿真，?？怂箍礢imufact Welding專(zhuān)業(yè)的DED模塊，主要用于送絲送粉式增材制造工藝的仿真。通過(guò)對(duì)增材制造過(guò)程及結(jié)束后的變形量、殘余應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真，協(xié)助工程師對(duì)增材的工藝參數(shù)，G-Code路徑進(jìn)行補(bǔ)償優(yōu)化，從而得到較優(yōu)的增材工藝參數(shù)，指導(dǎo)實(shí)際加工生產(chǎn)。針對(duì)金屬送絲送粉式工藝的增材制造，仿真軟件能夠自動(dòng)對(duì)工件變形進(jìn)行預(yù)測(cè)及反變形結(jié)果補(bǔ)償，協(xié)助工程師完成高質(zhì)量打印。