对于金属增材制造零件，均匀的材料性能对于确保零件在其生命周期中的稳定性能至关重要。具有严格的材料特性的高度复杂设计的生产推动了AM-增材制造（3D打印）的发展。根据3D科学谷的全球市场洞察，AdditiveLab努力处理打印前仿真的自动化，本期，3D科学谷结合AdditiveLab的仿真案例与谷友深度了解仿真带来的材料设计能力提升。

© AdditiveLab

基于仿真的参数设置

 预测打印故障

如果没有为复杂设计的生产而适当地调整机器参数，则不可避免会发生生产故障。明显的故障会导致材料和机器时间的浪费，甚至机器损坏。AdditiveLab的AM过程仿真是防止生产故障的重要工具。仿真可以在几分钟内提供更高级的分析，以指示零件最容易出现故障的区域。

上图显示了设计中通过AdditiveLab仿真软件对打印故障的预测，可在一分钟内在笔记本电脑上进行仿真，所显示的制造零件在同一区域显示有故障。

上图显示了一个具有周期性横截面，阀门高度（右）和整个制造过程中模拟的平均温度变化的循环对称阀门几何形状的示例，表明限制了散热的热流瓶颈。通过AdditiveLab Simulation软件进行仿真。

对于使用标准机器参数进行简单设计的情况，快速分析功能非常强大。但是，为了提供均匀的材料特性，需要调整生产参数。这种调整可以是生产和实验测试的繁琐且重复的组合，也可以使用模拟来优化机器参数。仿真可以通过优化层内停顿（停留时间）来帮助解决热挑战，以确保均匀的冷却速率和高质量设计的制造。

 确保均匀的结晶

在AM-增材制造过程中，每个生产层都暴露于来自激光的热量。激光曝光后，该层会冷却一段时间，直到为下一层沉积新粉末为止。加热和冷却循环以逐层的方式重复，对于金属材料，根据冷却速率会形成不同的晶体结构。

上图显示了整个制造过程中的模拟平均温度，这表明热流瓶颈限制了原始过程的散热（左），而优化过程中平均温度分布更均匀的情况得到改善（右）。通过AdditiveLab Simulation软件进行仿真。

不同的晶体结构导致总体上不同的材料特性，例如，定义了材料是否更具延展性或脆性，并允许很小或更多的伸长率。

对于高端工程行业的应用，通过对3D打印-增材制造过程中受控的固化（冷却过程）用于创建专门为某些应用量身定制的材料。例如，对于某些金属材料，快速的冷却速度可以增加硬度。除此之外，制造商对热处理和冷却速率的控制越好，他们就越能根据自己的喜好操纵结晶情况，并在制造的设计中确保均匀且无故障的材料性能。

这对于动态加载的几何形状（例如发动机气门）特别重要，因为几何形状需要完美无缺地制造才能确保使用寿命。可以使用模拟来优化零件在生产过程中的热性能。

例如，AdditiveLab软件的Python脚本会自动调整层内暂停，以确保均匀的冷却速度并避免温度累积。此类脚本的主要部分包括准备和执行后续的热模拟以及定义误差函数的误差，该误差函数确定了整个阀门设计中冷却速率的差异。

上图显示了原始制造策略的停留时间（左）和停留时间优化的策略（左），其中较长的停留时间用红色表示。通过AdditiveLab Simulation软件进行仿真。

经过优化后，对整个制造过程中计算出的平均温度的比较显示出更加均匀优化过程中的平均温度分布（右）与默认过程相比的平均温度分布，默认过程中各层之间的停留时间恒定（左）。

利用这种基于仿真的优化策略，制造商可以改善其制造过程的结果。因此，确保生成需要高水平材料质量的合适高端应用零件。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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比利时的Materialise公司在设计优化方面突出的实力是基于Materialise研发的软件及其数据数理能力：

图示：汽车座椅轻量化 （来源：Materialise)

仅仅是为了减重，方案可以有很多种，然而如何优化这些方案，达到最好的零件性能和重量比，这就需要强大的软件计算能力和工程学能力的有效结合。

图示：方向盘轻量化 （来源：Materialise)

Materialise在一系列的设计优化方面进行了积极的探索和尝试，典型的案例如下图：在零件的轻量化过程中先是将中间的部分去掉，然而通过有限元FEA的分析结论是零件在强度上达不到标准要求，然后Materialise尝试在中空的部分加上了网状结构（图示左下角Uniform Lattice）以增强其力学性能，然后进行又一次的有限元FEA分析，结论是仍然达不到力学要求。最后，Materialise在对重量支撑最密集的区域（红色区域）采取了渐变加粗网格的设计，从而达到了最优的结果：相同力学性能情况下最佳的重量密度比。

图示：零件优化的探索，从均匀的网格结构到渐变加粗的网格结构 （来源：Materialise)

AddLab有9个工业伙伴，大家一起推出了一个叫做”Open Innovation”的合作，致力于设计的创新以及将增材制造推向生产领域。设计方案主要针对一些高端的零部件，研发成本由成员之间分担，学习曲线以及研究成果在成员之间分享，包括增材制造参数、性能、形位公差以及表面质量。

AddLab的经典案例可以很好的说明为什么设计是开启增材制造潜力的钥匙。该案例是热交换器,增材制造出来的该组件具有液体热逆流交换的两个独立通道，整个组件可以放在不同的环境中，既可以用来吸收或也可以用来提供热量。

AddLab另一的经典案例，图示为一个典型的航空领域零部件，右边的设计是通过增材制造的方式来生产，其结构为仿生力学结构，该结构可以完全满足左图（传统方式）生产出来的零部件的性能要求，然而其重量仅仅相当于左图零部件重量的四分之一。

设计的原理是通过拓扑优化软件来决定如何用最少的材料来达到最大的设计学效果，包括哪里需要材料，哪里的材料可以去除。下一步，在用工程学的方法来检查该电脑设计模型,从审美或功能的角度上加以修改，并且使表面更加平滑，从而使设计模型看起来像一个工业产品而不是一种仿生结构。另一个关键因素是需要考虑在生产过程中的支撑结构，支撑结构必须体现在设计中。然后再考虑材料和加工参数，最后这些技术元素“打包”到3D打印设备里，令人感叹的设计产品就这样产生了。

左图：电脑设计模型，右图：增材制造出来的产品

零件在粉末床上打印出来，初始层必须牢固地固定在建板上，否则当新鲜的粉末在粉末床上扩散时，它会被推走。相同的原因，组件的水平部分需要支撑结构。

其次，激光束诱导出非常高的温度，在激光熔化粉末非常小的地方突然变得非常热。而当热量消散时，金属迅速从熔融温度中冷却。这种极端的加热和冷却循环不断地再每一层的构建过程中重复，带来了此起彼伏的热膨胀和冷收缩，从而引起了材料的高应力，有可能对产品的尺寸精度产生负面影响。所有当一个设计产品完成后，需要通过扫描仪来做形位公差检测，以及相应的应力检测，微观结构检测分析，表面粗糙度检测，甚至是X光检测。

来源：Materialise及Metal Additive Manufacturing