DED案例研究:数字孪生在金属增材制造中的诸多效益

文摘   2024-10-12 17:32   江苏  
金属增材制造(AM)正在以惊人的速度重塑传统制造业,尤其在复杂部件的精准制造上展现出了巨大的潜力。然而,定向能量沉积(DED)等技术在实现这一潜力时,往往因极端条件而遭遇孔隙、扭曲及未熔合等缺陷,其不可预测性成为行业痛点。在此背景下,数字孪生(DT)作为一项前沿技术,正逐步成为应用工程师手中的利器,助力金属增材制造实现新发展。

数字孪生:集成多源数据的动态模型

在金属增材制造领域,数字孪生的应用显著突破了传统模拟的局限。作为一种具备动态演进特性的模型,它通过高效整合多元数据,实现了与物理制造过程的精准对接,确保了二者间的实时同步与一致性。这一过程涉及三个核心数据流:
  • 基于物理的模拟:通过精确模拟热传递、流体流动和凝固等现象,为DT提供坚实的理论基础。
  • 现场监测数据:利用热像仪、光学系统等传感器收集的实时数据,反馈实际操作中的关键信息。
  • 机器数据:激光功率、扫描速度等机器参数数据的集成,确保DT模型的准确性与实时性。


DT模型整合这些数据,实现了对金属增材制造流程的全面监测,其优势主要体现在
  • 预测能力: 能够预见潜在的缺陷、设计偏差与过程不稳定性。
  • 流程优化:通过模拟不同参数组合,确定最优设置,提升部件质量,减少试错成本。
  • 实时控制:支持闭环控制系统,依据实时反馈动态调整工艺参数,实现精细化控制。

案例研究:DED数字孪生应用

Hartmann等人的研究为数字孪生在金属增材制造中的实际应用提供了有力佐证,通过构建DED的数字孪生模型,并将模型预测与现场监测数据及金相分析结果进行对比,验证了DT的预测准确性。
在实验中,Hartmann等人构建的DT模型整合了CMOS相机、离轴红外摄像机和热电偶等多种传感器数据,通过四次不同几何形状和工艺参数的实验,验证了DT在预测熔池尺寸、温度、散热及包层尺寸等方面的准确性。预测结果与实际测量值之间的平均误差分别为:熔池尺寸4.04%,熔池温度4.62%,散热3.75%,包层宽度4.29%,高度6.98%。
尤为值得一提的是,DT还成功预测了二次枝晶臂间距(SDAS),这一关键指标反映了冷却速率对微观结构的影响。预测值与测量值之间的平均误差仅为0.018 µm,展示了DT捕捉微观结构特征的卓越能力。
数字孪生通过融合基于物理的模型与实时监控数据,为金属增材制造提供了前所未有的洞察力,助力工程师:
  • 预防并预测缺陷,确保部件质量。
  • 优化工艺参数,提升制造效率。
  • 实施闭环控制系统,实现动态调整。
尽管这一领域仍需进一步研究,但Hartmann等人的早期验证研究已经展示了DT在提升部件质量、缩短生产周期和释放金属增材制造潜力方面的实际效益。数字孪生正逐步成为驱动金属增材制造行业创新的关键技术。
论文:

[1] https://doi.org/10.1016/j.simpat.2023.102881

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