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Teton Simulation的SmartSlice 3D打印设计模块驻留在切片机软件中,帮助用户优化设计,减少打印时间。它还帮助用户决定在哪里以及如何部署光纤增强。左边是印刷的部分,右边是同一部分的剖面图,用橙色表示,提顿建议使用纤维增强。图片来源:提顿模拟

任何复合零件和结构的设计者都知道纤维增强材料所带来的挑战和机会。各种树脂,纤维,光纤格式和制造工艺允许设计师定制工程师,该解决方案将纤维加强件放在满足特定机械负荷所需的位置。但是,为这种纤维方向设计是一个复杂的,有时令人生畏的任务,充满了训练有素的经验丰富的设计师最好的错误才能满足的潜在威胁,经验丰富的设计师使用复杂的CAD软件。

当涉及纤维增强添加剂制造业(AM)时,存在相同的设计挑战,尽管景观是在某种程度上更复杂的景观。“问题是将纤维放在哪里,”Ceo Coug Kenik说提顿仿真软件(怀俄明州拉勒米。“大多数(AM系统的)用户不具备做出这一决定的知识或技能。”AM设备供应商试图通过嵌入系统中的设计软件(称为切片机软件)来帮助用户做出这一决定。Kenik指出,这类软件通常是专有的,在使用光纤方面并不总是能做出好的决定。“添加剂的设计和纤维的放置过程之间有很大的差距,”他说。

按照设计和造

Jeff Wollschlager,副总裁-复合材料技术在CAD专家Altair Engineering.(密歇根州特洛伊市。该公司拥有长期设计和模拟复合材料零件的经验,并在市场上有各种工具,以满足设计师的需求。其中包括HyperWorks、OptiStruct、HyperMesh和ESAComp。Wollschlager说:“当你看看过去几十年所有的自动化贴合方法时,我们已经‘3D打印’复合材料很长时间了。发生变化的是技术的小型化。使用这些技术制造的能力,包括越来越小的细节,是过去五年左右的最大进步。”

他说,最大的挑战之一是嵌入复合材料的各向异性本质:“挑战在于材料建模,并超越我们对均匀各向同性材料的经典知识,变得像我们对均匀各向同性材料一样有信心。我们不仅拥有先进的3D打印制造技术,这些机器打印的材料也很先进,需要对细节同样关注。”

CAD专家的产品营销经理Paul SohiAutodesk.TruComposites软件的制造商、美国加州圣拉斐尔公司(San Rafael, Calif.)表示,在设计纤维增强AM材料时,最大的挑战是填补设计和制造之间的差距。他说:“分析和模拟连续碳纤维的添加剂沉积过程对理解零件将如何制造至关重要。”“了解真实世界的零件与原始设计的对比,将最终使对这类零件进行精确的有限元分析成为可能。”Sohi还认为,还有一个额外的挑战:在FFF(熔丝制造)格式铺设任何材料时,如何处理剪切和层线,他说,这是一些纤维增强AM系统的功能。

然而,即使是在CAD软件中创建的am特定设计,无论是来自Altair, Autodesk,达索系统公司股价(沃尔瑟姆,质量。,美国)或西门子(沃尔瑟姆),必须转移到AM机器环境和使用的切片软件。这导致Wollschlager面临第二个挑战,即“与制造仿真供应商的互操作性,使制造仿真中的可用产品数据能够有效地开发高度精确的结构仿真模型。”我们的想法是,“机器”知道它做了什么,所以我们应该利用这些信息来自动构建模型。在很多情况下,我们已经在这样做了,但在行业标准普遍接受和实施之外,与每个供应商的互操作性可能会面临挑战。”

对于AM系统的用户来说,他们无法使用专门为复合材料和工艺编写的传统CAD解决方案,OEM切片机软件嵌入机器是进行设计和决定在哪里以及如何在AM结构中部署纤维增强的起点。而切片软件可能会也可能不会推动好的决策。

Kenik表示,Teton已经开发了一款名为SmartSlice的软件,该软件被嵌入到OEM的切片机中,以帮助优化零件设计,加快建造速度,并指导在基于挤压的AM系统中更有效地使用纤维增强。“用户可以设定他们的刚度和强度要求——这是我如何推和拉部件,”Kenik说。“然后,我们可以迅速验证它,并说它将以你希望的方式运行。然后,进一步,我们可以优化所有尺寸参数,让你获得最小的建造速度。”

此外,SmartSlice还评估了负载下的几何形状,用例识别需要纤维增强的部分的层或区域。“你不想到处都是纤维,”Kenik争辩说。“这很贵,它需要很多时间。如果您可以识别应用光纤的图层和区域,那就非常有影响。“

Teton Simulation Smartslice AM设计软件

SmartSlice会考虑零件的物理要求,然后指出需要检查的区域,以提高机械性能。SmartSlice可能会推荐的一个策略是在该地区应用纤维增强材料。图片来源:提顿模拟

SmartSlice目前是作为模块提供的Ultimaker Cura.开源切片器平台,但Kenik表示,它可以与任何切片机兼容。此外,SmartSlice仅配置为仅使用切碎的光纤加强件,尽管该公司正在进行连续纤维增强件的解决方案。“当您在添加剂中讨论连续纤维复合材料时,通常谈论混合设计,在那里您有塑料,切碎的纤维增强塑料和连续纤维增强塑料的混合物。所以你的灵活性走了起来,但你的复杂性也是如此。可能的设计输入的矩阵向上,这是一个挑战。“虽然这种杂交不是普遍存在的,但它足以使设计软件必须准备好以适应它。

Kenik还认为,旨在解决在AM留下太多空间的误差空间来解决使用连续光纤加固的软件解决方案。“基本上,你从CAD开始设计,把它放在一个切片的程序中,你只是说,'我认为我需要这里,这里和这里的纤维。’但你没有办法测试设计,所以你通常只是过度设计零件,确保你有一个平衡、对称的层压板,然后打印出来。”

未来的事情

最终,在AM中使用纤维增强材料可能会加速复合材料行业已经存在的趋势:民主化。纤维增强聚合物适应性强的复杂性和可变性,也使那些尚未精通复合材料原理和制造的人难以接近。纤维增强AM有效地将复合材料的制造能力推给了那些有强烈“制造者”倾向、但对材料只有初步了解的人。在AM社区中,现在已经有了“复合材料机器”的参考资料,这是在3D打印中使用纤维增强材料。复合材料可以如此容易地打印出来,这个想法既诱人又令人生畏。一个自适应且价格合理的AM软件平台,提供了设计、模拟和制造过程的强大集成,将帮助这些用户轻松、智能地在3d打印结构中部署纤维加固。这超出了AM的范畴。

“现在,你可以买一台机器,它可以让你打印连续的纤维复合材料,所以易用性大大提高了,”Kenik说。事实上,他预计这种复合材料制造的便捷性将扩展到传统复合材料制造过程:“添加剂将加速并打开连续纤维复合材料的市场。”

Altair’s Wollschlager, thinking about the future, says, “I think it is clear the direction we need to head: general industry consensus and implementation for data exchange formats, the addition of detailed heterogeneous anisotropic knowledge at undergraduate levels and a general openness to change the way we currently manufacture and design structure.”

现在滑雪板绑定添加剂制造生成设计

虽然它不使用纤维增强聚合物,但是通过添加剂设计和开发的现在绑定•滑雪板制造商Nidecker Group的ION是生成设计的一个很好的例子。生成设计是一个完整的学科,完全集成了应用,设计和制造过程,以创建最佳设计的部分。使用Autodesk的Fusion 360 CAD平台设计了这种滑雪板绑定。照片Credit:Autodesk

在欧特克,Sohi说:“我们特别兴奋地看到更多的模拟工具进入市场,捕捉增材制造的各向异性本质,这不仅仅是在连续碳纤维领域。在整个行业,我们正在采取重要步骤,以缩小CAD设计和工厂生产机器之间的差距。CAD中的完美数据与制造业的现实之间存在着鸿沟。”

Kenik预见了光纤AM部件设计的重大变革:“尽管硬件原始设备制造商从一个方向来设计,CAD供应商从另一个方向来设计,但在某种程度上,他们将不得不将它们结合在一起。切片机将存在于CAD程序中,从而将所有内容集成到一个包中。”

这导致了AM的圣杯一般,特别是与光纤AM,这是应用生成设计原则。生成设计说,Sohi,整体地将设计,工程和制造任务集成到统一的学科中,使设计人员和工程师能够获得新的洞察力。迄今为止,生成设计主要应用于各向同性材料,但其与纤维增强材料的使用即将到来。

“过程感知生成设计看材料,查看机器,并根据几何形状,指导您的设计并指导您的机器配置,”Kenik说。“这真的很强大。”

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