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增材制造仿真 ESCAAS AM
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增材制造技术质量控制以及新型材料的设计研发关键是要对3D打印过程中加工参数-材料微观结构-打印材料属性-最终产品性能之间的密切关系进行量化,从而通过精密控制打印过程来优化产品的精度与质量。由于打印过程的复杂性,涉及大量的加工参数(比如打印用粉末颗粒材料组份与热力学属性、几何尺寸、质量以及装载密度,激光或者电子束强度,大小,扫描路径与速度等),采用试验的方法来研究这个量化关系,往往需要进行无数次试验,花费无可计量的时间,成本与人力资源,最后却无法得到有效的控制模型与最优的材料组合。而数值模拟技术提供了一种高效廉价的方式来深入理解增材制造过程的物理机制与各项参数对产品性能的影响。现有的数值模拟技术,比如有限元方法、有限差分与有限体法等,已经广泛的应用于加工制造与产品性能分析中。但是,传统的计算力学方法在求解3D打印应用中面临着巨大的挑战以及本质上的局限性。主要原因是在打印过程中起到决定性作用的复杂的热力学现象,其中包含了复杂三维结构的超大变形、热力强耦合过程以及固液气相变与多相混合、高度非线性应变率相关的材料热力学响应、三维裂纹扩展,以及多体动态接触。


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3D打印过程熔池热动力学直接数值模拟

 基于ESCAAS核心算法的ESCAAS AM数值模拟软件致力于直接模拟3D打印过程中金属熔池热动力学行为,特别是基于粉末床烧结与熔融的增材制造过程中熔池热动力学行为以及材料微观结构缺陷的动态生成,高效精确的预测材料微观结构缺陷的动态生成过程,建立金属增材制造技术加工参数与材料微观结构之间的直接联系,如上图所示。ESCAAS AM中通过输入粉末颗粒材料,尺寸,形状,结构特征与填充密度等参数直接对金属粉末床建模。激光或者电子束强度,大小,打印速度与路径等加工参数作为边界条件施加到粉末床表面,采用ESCAAS超大规模并行化的热流固耦合整体求解器计算金属粉末颗粒的变形、运动、相变以及相互作用过程,从而预测整体材料中各种微观结构特征的成型过程,包括孔隙、微裂纹与未完全熔化粉末颗粒的比例以及大小与位置分布,如下图

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金属粉末床热动力学响应的ESCAAS AM数值模拟

同时,除了微观尺度颗粒级模拟算法,ESCAAS AM也提供宏观模型来预测熔池的尺寸,材料内应力与变形,以及宏观裂纹生成与动态扩展。最后,对虚拟增材制造模拟器打印的材料进行微观结构的统计学分析,分析结果直接作为ESCAAS多尺度材料模型的输入参数,在ESCAAS®中进行材料的属性与力学性能测试(包括密度,弹性模量等)以及不同加载条件下的强度与断裂机理的研究。如下图所示,采用高性能数值计算(ESCAAS多进程、多线程混合并行化程序),用户可以参数化设计加工过程,利用优化算法搜寻最佳打印参数,从而获得最优的材料力学属性与产品性能。

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ESCAAS AM虚拟增材制造与材料测试平台

同时,在模拟过程中采用不同的比例混合多种材料的粉末颗粒,该软件将帮助用户开发超越现有材料性能的革命性新型材料,提供了在无限组合的材料设计空间中找到最佳材料组成的可行性,为企业节约大量的时间与成本。ESCAAS AM是迄今为止国际上唯一一款金属增材制造过程高精度、多尺度模拟软件,为金属3D打印过程的质量控制提供了一套高度可行的方案,指导3D打印机制造厂商对设备进行优化,以及制造加工工业精准的控制材料加工过程。


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