利用 3D 打印模拟实现卓越的质量和准确性
了解 3D 打印模拟的优势和当前最先进的技术。本文介绍了在 3D 打印中使用模拟的原因、内容和方法，并提供了帮助您入门的提示。
简介
模拟制造过程正慢慢成为 3D 打印工作流程的一部分。 3D 打印模拟有助于理解和可视化制造过程中发生的复杂热机械现象，从而生产出高质量、高精度的零件。
这对于使用最先进的 3D 打印工艺制造的高价值组件尤其重要，其中设计迭代（丢弃有缺陷的打印件）在材料成本和制造时间方面都非常昂贵。
3D 打印过程的模拟不应与更常见的机械 FEA 模拟相混淆：后者有助于评估零件在与其功能相关的某些条件（负载、变形、温度等）下的机械性能，而前者有助于逐层预测 3D 打印制造过程在某些工艺参数下的结果。
在本文中，我们首先介绍模拟每个 3D 打印过程的主要好处，然后我们仔细研究运行成功模拟的细节，并提供一些方便的提示来帮助您入门。
为什么在 3D 打印中使用模拟？
模拟 3D 打印过程非常有价值，因为它有助于：
避免打印失败 以及因几何问题而被拒绝的零件，从而节省时间并降低总体成本。
评估风险 生产并给出降低失败概率的指导 .
了解物理学 制造过程。
预测微观结构特征 结束部分。
优化生产 通过减少零件和支撑变形来提高制造速度、减少后处理操作或提高精度。
您可以在生成支撑结构之前或之后执行模拟：
在生成支撑之前，模拟结果有助于识别存在显着变形或内应力的关键区域 在制造过程中。然后，设计人员可以添加合适的支撑结构以最大限度地减少变形，更改打印方向以改变热量积累的区域，或修改 3D 模型的几何形状以提高最终结果的质量。
生成支持后，模拟有助于最大限度地降低风险 生产失败（例如由于重涂机干扰）时，确保最终零件的尺寸位于指定的公差范围内 并评估不同打印参数的影响 （例如，通过比较针对生产优化的参数与针对精度优化的参数）。
在这两种情况下，模拟都有助于降低与高价值制造相关的风险 并提高生产力 大批量 3D 打印，节省数周的生产时间以及数千美元的开发和生产成本。
要模拟哪些 3D 打印流程？
模拟与高价值和高精度 3D 打印最相关。此外，当代最流行的 3D 打印仿真软件包基于金属焊接仿真求解器。因此，模拟更常用于金属 3D 打印。
然而，所有主要的 3D 打印过程都可以模拟，原因如下：
SLM/DMLS： SLM 和 DMLS 是金属 3D 打印工艺中最古老、最成熟的技术，因此，许多软件包主要关注它们。由于金属的熔化温度高于聚合物的烧结温度，因此 SLM/DMLS 零件的热机械约束最为重要。
循证医学： 与 SLM/DMLS 相比，EBM 是一种更新的金属 3D 打印技术，只有少数软件包提供了解决方案。 EBM 仿真有助于识别电子束产生的热量积累区域。
FDM： FDM 的主要问题是翘曲，这是由于挤出热塑性材料的冷却不均匀而发生的。仿真可以帮助检查零件是否需要重新设计，或者是否应该添加边缘以增加对平台的附着力。
SLA/DLP ：在 SLA 和 DLP 中，主要问题是卷曲，这与翘曲类似。目前没有多少软件解决方案可以模拟 SLA 打印过程。
SLS： 在 SLS 中，不需要支撑结构，但构建中可能会出现热积聚区域，导致表面光滑度差或翘曲。模拟可以帮助识别这些区域。
模拟输出和结果
温度分布
温度梯度是构建过程中发生的所有机械现象的根本原因。
有时可以单独计算温度梯度，而不需要任何机械变形。它通常比完整模拟更快，并且解决热量积累问题可能同时解决机械变形问题。
Netfabb 中离散模型 (SLM/DMLS) 的温度梯度分布。由 Poly-Shape 提供
变形
假设材料的真实机械性能已知，则可以计算零件在制造过程中的变形。
无论使用什么模拟参数，变形的方向通常都是正确的，但变形的幅度与模拟网格的大小密切相关：使用更精细的网格会产生更精确的结果，但需要更多的运行时间。
Netfabb 中模型 (SLM/DMLS) 的变形矢量。由 Poly-Shape 提供
重涂机干扰
在粉末床技术（例如 SLS 和 SLM/DMLS）中，如果沿 z 轴的变形大于层厚度，重涂器可能会与零件接触，将其扫走并导致故障。在某些模拟软件包中，您可以定义重涂机公差的高度，如果沿 z 轴的变形超过该阈值，软件会向您发出警告。
后处理步骤
3D 打印仿真包的主要重点是计算零件制造过程中发生的热机械现象。然而，在制造过程的后续步骤中也可能出现其他问题。
在将零件从构建平台上拆卸或移除支撑结构的过程中，制造过程中产生的残余应力可能会导致零件变形。热处理可以帮助缓解内应力。一些模拟包允许您模拟这些后处理步骤，并帮助评估热处理是否必要（甚至有效）。
仿真软件列表
离散化
良好仿真的第一步是正确离散零件体积。
与使用四面体共形网格划分的常规机械模拟不同，大多数 3D 打印模拟软件使用体素化。零件的 3D 体积由小立方体（或体素）表示，类似于 PC 显示器中的 2D 图像由方形像素表示。使用更多的网格划分元素可以产生更精确的结果，但也会显着增加模拟时间。找到适当的平衡是关键。
对于初始模拟，使用大体素启动第一次粗略模拟以获得“快速而肮脏”的结果可能会很有趣。这样的模拟应该使您能够在几秒钟或几分钟内获得打印件的主要变形区域。它不会花费您太多费用，并且可以帮助您决定是否需要更精确的模拟（使用更小的体素）。
材质和打印参数
零件离散化后，您需要选择材料属性。定义材料属性可能是模拟过程中最关键的步骤，因为不准确的数据会产生错误的模拟结果。
大多数编辑器都提供自己的材质库，这对您入门非常有帮助。
在这两种情况下，它们可能并不完全适合模拟。每个模拟软件都允许您修改或创建自己的材料以生成最准确的模拟。这需要专业的材料科学知识才能正确完成，不建议没有经验的用户这样做。
校准
某些模拟软件允许您根据在特定材料和特定机器上打印的测试样本来校准材料属性。这样，可以识别更精确的材料属性，从而获得更准确的模拟结果。
经验法则
- 在生成支撑之前进行模拟，以改善零件几何形状并帮助设计支撑。
- 生成支撑后进行模拟，以验证准确性并检查重涂机干扰。
- 首先使用大体素运行快速模拟，以识别变形较大的区域。然后细化网格以提高结果的准确性。
- 在没有机械分辨率的情况下模拟温度以节省时间，因为解决热量积累问题也可能解决机械变形问题。
- 首选基于云的仿真软件以获得更快的性能，但如果需要遵守保密政策，请使用本地求解器。
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