安世亚太:金属3D打印仿真的解决方案与思路

3D打印快讯
2019
07/08
15:25
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金属3D打印仿真的解决方案与思路

作者:安世亚太——增材设计、工艺仿真、设备优化以及服务方案提供商, 包刚强/贺进

本文作为《金属3D打印仿真》在线培训课程的其中一节课,已经上线到“3D打印课程库”,入口在南极熊公众号底部菜单栏“3D课程”。

1、金属增材制造面临的挑战
虽然金属增材制造增长速度近些年可观,但无论是直接能量沉积还是粉末床融化金属增材制造工艺,本质上还存在几大类挑战:
l  可支持打印的金属材料种类有限,急需开发更多的金属种类以满足工业界需求;
l  打印速度和效率制约,不适合量产;
l  打印成本过高,包括机器和粉末成本,也包括可能存在的打印失败产生的额外成本;
l  需要繁琐冗长的打印后处理环节;
l  被打印件质量的保证及工艺调试
其中,质量保证是金属打印至关重要的要素,金属增材制造可能出现部件变形、开裂的问题。同一个部件,在加工参数、层数、材料相同的条件下,不同的取向和位置,微观组织和属性不同。垂直方向柱状晶的残余应力水平低,水平方向马氏体相残余应力水平高。增材制造工艺参数仿真主要研究加工参数、粉末、几何构型等因素对于宏观变形、残余应力,部件微观内部金相组织及性能的影响。控形与控性,是金属增材工艺中两个重要考察指标。产品打印过程中,也必须关注宏观控形,包括翘曲变形、部件开裂、刮板碰撞或支撑开裂等问题,微观控性中,需要关注孔隙率、相变、球化、颗粒尺寸、一次和二次枝晶结构和初始位错密度等微观特性,表征到打印件后续质量即为金属件力学性能和特性。
    然而金属增材制造的过程较为繁琐,要成功打印出一个合格的零部件受到来自材料、打印机器设备、工艺设计、工艺参数和设置以及包括后处理等诸多因素的影响,如图1所示。对于一个实际金属打印件,完全凭借经验或者直观感觉,进行打印的成功率较低,通常采用试错方法,既浪费了成本,又大大增加了产品成功打印的制造周期。
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图1. 金属打印机的影响因素
2、金属增材工艺仿真的价值
基于机器和粉末的标定试验,获取宏观的变形修正参数和微观的单道扫描信息和参数,在产品设计初期或者增材制造工艺制定期间,利用CAE仿真分析技术,进行数字仿真以提前获取产品打印的性能特性,将是解决金属增材工艺质量问题的一个重要手段和方法。通过提前预测并在此基础上进行工艺优化,使得物理的样品打印减少失败概率,同时较大程度地减少打印成本,不合格产品的数量和试错次数也大为降低。同时增材金属打印件便于制造的设计方式和设计修正可以大大增强,增材工艺设计流程和经验可以累积和固化,机器的利用率和产品打印的周期得到提高,产品打印的可重新性和质量能够得到保证。如果微观金相组织和特性预测也能够通过CAE仿真实现,仿真将大大加快新材料,新机器,新工艺参数包的开发,减少研发成本和周期,同时个性化微观结构和获取期望的材料属性将成为可能。CAE仿真对于金属增材打印的价值汇总如下图2:
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图2. 金属增材工艺CAE仿真的价值
3、金属增材工艺仿真的困难
虽然增材工艺仿真的价值比较巨大,但要实现起来困难较多,难度较大。主要的困难包括以下几个方面:
l  空间离散规模庞大、时间离散步长数庞大,计算时间如何去满足工程需求。
复杂结构件从光斑尺寸到空间上宏观尺寸的分布,网格化离散的规模巨大。同时打印时间较长,大件以天计算,而仿真在热-固耦合的尺度上时间步长甚至需要在微秒乃至更小的一个量级上离散。如何实现打印工艺过程的模拟,以现有的计算硬件资源,难度非常大。
l  宏观与微观,多尺度问题
熔池内部无论是物理现象还是研究对象尺度,都是微观层面。但是打印的对象尺寸以米为宏观对象,在其中之间无论是否考虑介观尺度,如何将众多与常规尺度条件下迥然不同的微观尺度现象与宏观现象进行统一,如何将增材制造熔池内快速冷却凝固的非平衡态熔池动力学造成的材料微观理论和打印件宏观规律结合起来,则需要从多尺度的角度入手进行分析。
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图3. 金属增材工艺多尺度现象
l  物理过程机理复杂
仅仅考虑熔池内的物理现象,增材金属打印已经非常复杂,其中包含浸润、毛细、表面张力、马兰格尼对流、熔池动力学、相变等非常复杂的物理过程,其物理变化的准确机理和演变规律在真实工程中需要实验验证和总结,很难是物理控制方程就完全预测和归纳。
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图4. 熔池内物理机理现象
l  涉及环节较多
增材金属制造不仅仅是涉及到金属粉末的质量和特性,还包括增材设计是否适合打印,机器设备,打印工艺设计和打印参数包设置甚至后处理也会使得打印质量有较大变化。金属增材制造涉及的环节较多
l  不确定性和误差来源较多
由于环节长,涉及的因素方方面面,因而不确定性和误差来源也较多。
4、金属增材SLM工艺仿真的解决方案和思路
金属增材工艺包含SLM,EBM,SLS和DMD,包含还有衍生的工艺方法如LBW,EBW,同时为了提高生产力,快速等离子沉积(RPD)也在逐步研发应用中。
我们先聚焦到比较流行和常用的SLM粉末床熔化工艺上,SLM金属增材制造工艺仿真是一个非常复杂的典型多尺度和多物理场的分析过程。多尺度体现在从宏观尺度到介观尺度再到微观尺度的多尺度分析;多物理场则需要对包含成型温度场、气场(保护气体)、熔体流场(熔池流体)、速度场(铺粉过程)、及打印结构的固体应力和变形场等多物理场的分析,多物理场作用渗透在金属增材制造成型的每个阶段。
宏观尺度的仿真分析主要是针对零件成型的工艺仿真,对成型过程中的应力应变、成型温度场以及成型过程中可能存在的风险给出仿真预测。宏观分析的对象是打印件自身和工艺设计的支撑对象,也可能包括基板和必要的机器设备信息如激光光源。根据工艺仿真算法的不同,目前又可以分为基于温度与结构耦合的工艺过程仿真和基于固有应变算法的工艺过程仿真。
介观尺度的仿真分析主要是针对熔池和粉末的分析,包括熔池流动性、熔池大小形貌以及粉末的流动性、粉末传热和熔化后的蒸发、飞溅等现象,考虑熔池内部的表面张力、毛细、浸润,考虑马兰格尼对流,目前主要有等效热耦合和CFD等方法应用于该分析,通过熔池动力学预测溶化过程尤其重要的凝固过程,获取相变历程、温度及温度梯度历程包括凝固冷却速率。
微观尺度的仿真通过获取宏观或介观尺度分析得到的温度梯度或凝固冷却速率,针对金属增材制造后的晶体组织形态、晶粒大小与取向以及缺陷和性能预测等内容的分析,目前主要用到的重要方法包括相场法(Phase Field)、自动元胞机(Cellaur Automaton)等,不同的方法各有特点和限制。
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图5.金属增材制造过程中涉及到的多尺度和多物理场

4.1 宏观尺度的工艺过程仿真
目前应用于宏观尺度的金属增材制造工艺仿真的方法主要有两种,即温度与结构耦合的(热弹塑性)有限元分析方法和固有应变有限元分析方法。宏观尺度工艺过程仿真分析结果通常包括:部件和支撑变形和残余应力(去除支撑前/去除支撑后);逐层应力和变形;变形补偿;刮板碰撞检测;高应变区域;基于应力优化支撑等。
4.1.1基于温度场和结构场解耦分析的工艺过程仿真
SLM过程中,由于热源的移动性和局部性,温度分布并不均匀,随着光斑的快速移动,截面上各点的温度也会发生急剧变化,材料性能也随着温度变化而变化,因此增材打印的过程中,温度场是非线性瞬态热传导、对流和辐射问题,且温度场与打印过程中所用的扫描策略以及打印工艺相关,温度场的求解是一个很复杂的过程。
基于温度场和结构场的解耦工艺仿真具体过程可描述如下:假设热(温度)和结构(变形和应力)物理过程为弱耦合过程,可以先逐层仿真热现象,并在后续的结构仿真中利用节点温度来计算结构(变形和应力)。在增材过程仿真中,单元格随着时间逐层变化,首先用分层的笛卡尔网格将整个结构进行划分,然后采用生死单元技术层层激活。此时相关的边界条件也会发生变化,比如热对流表面,边界条件随制造过程在内部自动更新。当所有的单元层都被激活时,就完成了整个仿真过程。
然而这种算法需要先对增材制造过程中各时刻的温度场进行瞬态分析,需占用大量计算时间和存储空间。商业软件ANSYS Workbench通过对零件的温度场进行逐层计算并累加,然后将温度场作为初始温度载荷施加到应力场中,对零件逐层进行应力场求解,最终得到DMD或SLM过程后零件的应力应变结果。
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图6. ANSYS Workbench Additive AM 工艺仿真流程
4.1.2基于固有应变的工艺过程仿真
固有应变理论源于焊接的工艺仿真过程,是由日本的学者提出的。所谓固有应变可以看成是内应力的产生源。若将物体处于既无外力也无内力的状态看作为基准状态,固有应变ε*就是表征从应力状态切离后处于自由状态时,与基准状态相比所发生的应变,它等于总的变形应变ε减去弹性应变εe,即:
ε*=ε-εe
在焊接过程中,构件受到不均匀加热并且产生塑性变形时,则固有应变即为热应变εp、塑性应变εT和相变εX之和,即:
ε* =εP +εT +εX
固有应变存在于焊缝及其附近, 固有应变的大小和分布就决定了最终的残余应力和变形。固有应变有限元方法着眼于焊接以后在焊缝和近缝区存在的固有应变(不考虑熔池动力学以及焊接整个过程中的温度场),将固有应变作为初始值进行一次弹性有限元计算,就可以得到整个焊件的残余应力和变形。金属增材制造过程可分解成一个个单独的焊接过程,因此固有应变有限元分析方法同样适用于金属增材制造。
利用固有应变理论进行工艺仿真时,结合金属增材制造的具体过程又可以分为以下三种计算模式,即假定均匀应变、扫描应变和热应变。
l 假定应变模式
假定均匀应变是假设在金属增材制造成型过程中,每个区域所受到的固有应变的大小都是均匀和各向同性的,其大小与材料的屈服强度和弹性模量相关,即
𝜀=K *
由于不同OEM厂商、不同的材料以及不同的工艺参数都会有所区别,在进行工艺仿真时引入固有应变修正因子K,对固用应变进行修正。
l 扫描应变模式
在进行假定均匀应变计算时,是假设各方向上的固有应变是均匀的各向同性的,但在实际打印过程中,由于扫描方式的不同会造成不同的固有应变分布,而固有应变在不同扫描方式下各分方向上的固有应变也不同。扫描应变模式就是考虑了实际打印过程中的这点,引入各分方向上的修正系数αi,对分方向上的固有应变进行修正。此时固有应变大小为:
ei = ai*K* 其中αi为各分方向上的修正因子。
l  热应变模式
热应变模式就是考虑打印过程中的工艺参数如激光功率、扫描速度等工艺参数对固有应变的影响,从而影响最终的变形结果。由于打印过程中,同一个区域将经历多次热循环的作用(后曝光的区域会对前曝光的区域进行重熔),在热应变模式下考虑了热棘轮效应对固有应变的影响。温度一旦超过材料0.4倍的熔点温度时,固有应变将被累积一次,一旦温度完全超过熔点,发生融化,固有累积应变重置为基准的固有应变数值。file:///C:/Users/HIAPAD/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.jpg
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图7.  ANSYS AdditivePrint 工艺仿真三种应变模式对比
4.2、介观尺度的熔池和粉末分析
目前应用于介观尺度的金属增材制造工艺仿真的方法主要有两种,即熔池内部不考虑粉末尺度的方法和考虑粉末影响的方法。介观尺度的仿真分析通过模拟较小尺度熔池内部的流动和传热,除了预测温度,温度梯度及冷却速率外,还可以预测表面的质量,层间的粘性力,孔隙率等。介观尺度的仿真分析一般是单道扫描对象,极少进行多道扫描,但得到的结论和结果可以修正宏观仿真结果,也可以衔接作为后续微观尺度分析的输入。
4.2.1 熔池分析
金属增材制造过程中的熔池分析是十分困难的,如下图所示成型过程中熔池受到诸多因素的影响,如传热、表面张力、毛细作用力、黏度、润湿性等,这些因素都将直接影响着熔池稳定性、熔池形貌及大小。不稳定的熔池将在后期的凝固过程中形成球化、气孔等缺陷。
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图8.  金属增材制造过程中的物理现象
熔池仿真分析是金属增材制造过程仿真分析的难点,利用CFD流动的方式对单个熔池的能量方程求解即得到温度场进行分析可知,单个熔池将先后经历蒸发飞溅、凝固、固态相变和重结晶等过程,其经历的温度场随时间的变化如下图所示。
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图9.  金属增材制造过程中的物理现象
熔池CFD仿真分析除输出温度场以外,熔池的形貌和大小还受多重因素的影响,如上述提到的表面张力、毛细作用力、粘度等等,对其仿真分析是一个多物理场的分析过程,如下图是利用CFD对熔池的形貌和大小的分析。
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图10.  金属增材制造熔池的Fluent分析结果示意图
4.2.2 粉末分析
金属增材制造的粉末粒径范围大多在10-60um之间,并且呈高斯分布趋势,通常情况下可以用粉末的粒度分布区间、松装密度、球形度和流动性来对粉末的质量进行评判,其中粉末的流动性又受粒度分布、松装密度和球形度的影响,它是一个综合评判因素。当光束(激光或电子束)作用在如下图的所示的粉末床上时,粉末将会受热熔化,随着光束的移动形成一条连续的条带,通过控制成型工艺参数的h (hatching spacing)使得相邻的条带间有足够的搭接,从而获得致密的单层实体。
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图11.  金属粉末床粉末热熔化现象
增材制造过程中的粉末分析主要是对其热的行为进行分析。粉末吸收的光束能量在纵向上的熔深通常是大于铺粉层厚的,由于打印过程中粉末未经机械压实,粉末与粉末间仍然被看作是疏松状态,此时粉末间的热传导系数是要比实体的传导系数小几个数量级的。加上增材制造又是一个快速熔化和快速凝固的过程,根本来不及在粉末床和粉体间形成一个均匀的温度分布。温度高的区域将会造成飞溅和蒸发,蒸发产生的气体若在后续凝固过程中来不及从熔池中溢出将会残留在熔池中形成熔池穿孔,飞溅产生的杂物也将形成夹杂物残留在熔池中。
影响粉末热吸收效率和热传导的因素有很多,如打印过程中的工艺参数,光束质量,光束入射角度以及粉末的粒度分布、形貌大小和松装密度等。可通过仿真分析来研究这些参数对粉末热行为的影响。
粉末的数值模拟方法目前包括离散元、粒子法和无网格法、光射线追踪法等,可以根据金属粉末统计得到的属性参数进行相应的吸收效率、反射、穿透、等效物理属性的模拟和计算,也可以模拟考虑粉末辨识度下熔池的热行为和流动行为。
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图12.  光射线追踪法预测粉末吸收率
考虑了表面张力和不考虑表面张力在粉末尺度上的仿真分析结果如下图所示:

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图13.  表面张力和不考虑表面张力在粉末尺度上的仿真分析结果
4.3微观尺度的组织模拟
金属增材制造过程获得的微观组织结构将直接影响成型件的性能,获得高致密度和具有良好晶粒取向及大小的晶体组织是金属增材制造的重要目标。受金属增材制造复杂过程的影响,晶体的仿真分析也具有相当的难度。
通过宏观分析或介观分析得到的温度场或相变结果数据后,可进一步计算得到热梯度、固化速率、冷却速率和形态因子,这是微观尺度进行金相组织的输入参数。
微观组织数值模拟通常包含确定性方法、概率法和相场法,确定性方法通常有前沿跟踪法,概率法包含蒙特卡罗法和CA法。确定方法和概率方法模拟晶粒生长时都需跟踪固液界面,以此模拟枝晶的形貌,但对三维形貌模拟,有一定的困难;相场方法是以金兹堡-朗道理论为基础,用微分方程体现扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用,用统一的控制方程,不必区分固液相及其界面,能够直接模拟微观组织的形成,相场法和元胞自动机法是微观组织模拟仿真常用的两种数值模拟方法。
4.3.1  PF相场法
相场法的关键是引入序参量场F和弥散型界面,使界面位置随空间和时间的变化隐含在相场变量随时间和空间的演化之中,朗道理论用于描述微观组织的演化,微观组织演化则通过求解控制空间上不均匀的序参量场的时间关联的相场动力学方程而获得。相场法的优点主要是无需跟踪界面、易于处理复杂的生长行为(如各向异性等)、与热力学直接相关,可耦合真实热力学、动力学数据库、易于与一些物理机制关联(如外场)。缺点主要在于计算量巨大、速度慢效率低、需构造自由能函数(有时很复杂)、界面不真实、、一些物理参数获取较困难、数学处理复杂,同时可模拟的尺度较小(最大可达几十个微米),计算区域小。
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图14.  三维相场法计算微观金相组织
4.3.2  CA元胞自动机法
元胞自动机法的特点主要是空间是离散的、时间是离散的、状态取值是离散的、演化的运算规则是局域的(一般情形)。在凝固模拟过程中, 它基于形核的物理机理和晶体生长动力学理论,用随机性原理处理晶核分布和结晶方向, 从而模拟凝固过程的微观组织。CA方法将整个凝固区域划分为不同的网格, 采用其节点标示不同网格区域的状态, 然后按照该局域的凝固条件确定适当的演化规则进行状态演化, 从而可以定量的描述晶粒形核长大的过程。
CA 方法的优点是: 具有一定的物理基础; 模拟出来的微观组织不依赖于计算过程中的单元网格划分结构;计算速度远高于相场法; 计算的区域可以比较大 ( 达到宏观增材打印结构尺寸一级) 。这些优点使得它很适合于描述自由枝晶、柱状枝晶的形成以及柱状晶与等轴晶之间的转化、凝固与结晶、晶粒长大与再结晶、相沉淀与相分解、位错花样的形成等过程。以晶粒生长为例,元胞自动机的模拟过程主要有确定形核、选择时间步长、计算温度场、计算溶质场、计算界面元胞的生长动力学、确定胞状态、捕捉邻胞、计算曲率等过程组成。
CA 方法在凝固微观组织模拟中的应用, 还迫切需要完善具有坚实物理基础的生长动力学规则和包含流场模型在应用面上的拓展。
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图15.  元胞自动机法在晶粒生长演化过程中的运用
4.3.3  PF vs CA方法对比
相场法与元胞自动机法的对比比较如表1所示:
1 相场法与元胞自动机法对比
相场法(PF)
元胞自动机法(CA)
理论基础
朗道相变理论、热力学基本定律、动力学演化方程
计算机理论、计算数学、人工智能
基本思想
序参量、弥散界面、
  
统一自由能形式
时间、空间、状态离散,
  
转变规则、邻居元胞
控制方程
C-H方程、G-L方程
对界面形态无控制方程
  
其他场变量控制方程
界面处理
自洽在控制方程中,无需处理、弥散界面
需通过特定变量结合转变规则处理界面,尖锐界面/弥散界面
参数确定
需借助渐近分析及稳态平衡解,较复杂
常规确定,易于处理
模拟尺度
nm~mm(取决于模拟对象)
mm-m(取决于模拟对象)
计算效率
精度高、处理复杂
精度一般、处理简单
研究对象
主要用于材料科学中的形态演化
材料科学、生物学、社会学等
模型处理难点
模型参数、自由能形式的确定
转变规则、如何控制精度、
  
各向异性的处理
4.3.4  微观尺度分析的价值和商业化软件
基于温度梯度和凝固速率,包括熔池尺度结果,微观尺度仿真分析可以预测熔池尺寸,不完全融化,孔隙预测,材料相态输出,球化预测,微观金相结构预测。可以获取颗粒尺寸,朝向,枝晶生长方向,一次和二次枝晶结构,初始位错密度。其对增材制造的工艺价值和意义巨大,主要表现在:
l  深入研究增材制造过程微观机理。
l  探索机器、材料、几何和工艺参数如何影响温度历史、残余应力应变、内部缺陷、熔池特性、金相结构等。
l  帮助设计更好的设备,研究新材料,开发优化的扫描策略和工艺参数包。
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图16.  激光功率和扫描速度的PV组合影响微观金相组织
l  大大加速新材料、新机器和新工艺参数包开发,常规设备开发中工艺测试需要进行大量的线扫描,层扫描,体扫描,观察和测试致密度、层搭接率、金相组织观察和材料力学性能测试。
l  为进一步预测材料打印性能提供必要输入。
目前ANSYS增材工艺仿真系列模块中,Additive science模块将提供微观尺寸的仿真分析,下图即是IN718微观结构预测(颗粒尺寸和组织)的仿真和试验对比结果。
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图17.  IN718微观结构预测仿真和试验对比
微观尺度仿真分析预测了单向扫描模式下的颗粒尺寸、形态和组织,模拟结果与实验结果吻合良好,这些信息可以用于后续预测各向异性力学性能参数。
4.4 金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系
金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系如下图所示:
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图18.  金属SLM增材工艺宏观、介观、微观尺度仿真分析的整体关系图
5、增材工艺仿真的趋势和发展方向
由于篇幅有限,增材工艺仿真目前比较关注的仿真应用还包括下面专题,细节不在此赘述,我们将在后续进行相应方面的专题介绍。:
l  后处理如热等静压、热处理对宏观变形和消除残余应力影响的分析,微观如致密度提升及金相组织改善微观模拟。甚至包括后续机加工艺过程模拟,模拟流内表面光滑模拟等。
l  宏观模拟仿真中的支撑处理和等效模拟,包括体支撑,Cone支撑和Block面片支撑,后续更丰富的支撑也会在宏观工艺过程模拟中考虑。
l  微观金相组织模拟结果,将直接支撑后续的材料力学性能预测和评估,这部分更多地采用系统公式衔接金相结果和性能数据预测中。
增材工艺仿真的趋势和发展方向,笔者认为呈现这几个方向:
l  宏观尺度的增材工艺仿真模拟将越发普及和工程化应用,不仅仅是工艺设计和制造部门,增材设计也逐步引入工艺仿真,以保证设计产品的可打印性;
l  材料—设备---被打印件---支撑设计和工艺设计----工艺参数包----宏观特性----微观特性---后处理---性能预测,整个过程将被流程化和平台化;
l  介观分析和微观分析将逐步从研究和科研阶段开始迈入工程化使用;
l  基于物理过程模拟驱动的支撑设计优化软件将得到面世;
l  AI算法和多尺度算法将驱动测试数据和增材工艺仿真数据,实现线下预测模型;
l  更多的金属材料数据将被测试并录入、更多地金属增材工艺方法将得到仿真和应用。



作者简介:
安世亚太,是我国工业企业研发信息化领域的领先者、新型工业品研制者、企业仿真体系和精益研发体系创立者。提供工业品先进设计与增材制造服务,包括增材先进设计与工艺仿真技术和咨询服务,增材制造技术与设备研发以及应用服务。ANSYS金属3D打印仿真软件官方合作伙伴。

包刚强
德国Esocaet计算力学专业硕士,近20CAE行业技术经验和仿真咨询经验,完成日、德、中国数百项仿真咨询项目和多款CAE软件内核算法开发,现任安世中德咨询有限公司技术总经理,专业从事基于CAE技术为驱动的工程仿真咨询和增材先进设计与工艺仿真咨询。

贺进
男,上海大学材料加工专业硕士。毕业后一直从事于金属增材制造的设备开发、工艺开发和材料研究等工作,现为安世中德咨询有限公司增材制造与先进设计应用工程师。


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