在3D打印技術(shù)深度滲透工業(yè)生產(chǎn)的今天，如何提升良率和縮短生產(chǎn)和迭代周期已成為企業(yè)降本增效的核心命題。想要用仿真來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，提高良率，大前提是仿真軟件本身的準(zhǔn)確程度相對(duì)較高。

而即便是擁有了仿真軟件，就可以準(zhǔn)確預(yù)判生產(chǎn)結(jié)果嗎？那么本篇內(nèi)容，就是幫助我們的一份詳細(xì)教程！

第1要點(diǎn)

理解固有應(yīng)變預(yù)測(cè)值

不同于結(jié)構(gòu)仿真，生產(chǎn)仿真的核心除了算法本身，實(shí)際環(huán)境中的參數(shù)也至關(guān)重要，這就涉及到實(shí)際生產(chǎn)中的固有應(yīng)變預(yù)測(cè)值。

打印過(guò)程中涉及到的實(shí)際參數(shù)主要是兩部分：一個(gè)是材料參數(shù)，一個(gè)是環(huán)境參數(shù)。這導(dǎo)致對(duì)通用的“固有應(yīng)變體素法”而言，測(cè)得關(guān)鍵的“固有應(yīng)變”成為重中之重，它的理論意義是材料本身的一種屬性。但打印是通過(guò)粉末經(jīng)過(guò)熔融到凝固，最終形成零件的過(guò)程，而過(guò)程中存在很多的不可控、不可測(cè)量的因素，比如粉末的組成元素或雜質(zhì)的細(xì)微差別，設(shè)備激光器的細(xì)微差別，工作環(huán)境的氣氛含量差別等，最終反映到零件上造成零件的變形狀態(tài)不同。

圖1 固有應(yīng)變預(yù)測(cè)

那么把所謂的“固有應(yīng)變”視為影響零件變形狀態(tài)的一個(gè)系數(shù)更為合適。該系數(shù)可通過(guò)零件的變形狀態(tài)反推，一個(gè)好的反推算法就成為了精準(zhǔn)的關(guān)鍵。

第2要點(diǎn)

使用測(cè)量的參數(shù)就會(huì)準(zhǔn)確？

假設(shè)得到了一個(gè)準(zhǔn)確的固有應(yīng)變系數(shù)，并且使用了經(jīng)用戶測(cè)量的材料參數(shù)。仿真就一定最準(zhǔn)確了嗎？

答案是：不一定！因?yàn)閱卧獎(jiǎng)澐值拇笮『秃侠硇砸矔?huì)決定仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確。夸張比喻，相同的零件劃分成10個(gè)單元和1億個(gè)單元，仿真結(jié)果的精準(zhǔn)度不言而喻。針對(duì)劃分的合理性舉個(gè)例子：比如薄壁方桶，只使用單層體素網(wǎng)格結(jié)構(gòu)無(wú)法良好仿真出結(jié)構(gòu)實(shí)際打印產(chǎn)生的屈曲現(xiàn)象，必須要兩層單元才可以。所以劃分單元的合理性也成為了仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素。

圖2 薄壁方桶零件添加晶格前后對(duì)比

因此，網(wǎng)格劃分的細(xì)致程度達(dá)到能表達(dá)出想查看的關(guān)鍵特征，再加上高性能的計(jì)算，就可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)出薄壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的屈曲變形。

實(shí)際結(jié)果：3D打印支撐大幅減少

以某企業(yè)的葉輪打印工藝優(yōu)化為例，VDE由于采用了高效的GPU并行計(jì)算架構(gòu)，使打印過(guò)程仿真在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行工藝優(yōu)化，大大縮短了工藝周期，使其短時(shí)間內(nèi)高效迭代能力展現(xiàn)出顯著價(jià)值。過(guò)去，該葉輪的制造方案采用滿版支撐，不僅打印時(shí)間長(zhǎng)，還造成大量材料浪費(fèi)；通過(guò)VDE的多輪仿真優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了支撐減少60%，效率顯著提升。

圖4 葉輪模型

第一輪仿真

識(shí)別核心變形區(qū)域

采用簡(jiǎn)化支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，快速定位葉輪變形較大的關(guān)鍵位置，為后續(xù)支撐優(yōu)化提供方向。

圖5 采用簡(jiǎn)化支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真

第二輪仿真

優(yōu)化控形支撐，規(guī)避工藝風(fēng)險(xiǎn)

在變形較大區(qū)域添加控形支撐后再次仿真，結(jié)果顯示整體變形明顯改善，但發(fā)現(xiàn)打印過(guò)程中存在刮刀碰撞的工藝風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步調(diào)整支撐布局。

圖6 在變形較大區(qū)域添加控形支撐后再次仿真

第三輪仿真

消除風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案

針對(duì)刮刀碰撞風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，補(bǔ)充高強(qiáng)度支撐并完成第三次仿真——最終結(jié)果顯示，工藝風(fēng)險(xiǎn)完全消除，葉輪整體變形控制在合理范圍。

圖7 補(bǔ)充高強(qiáng)度支撐并完成第三次仿真

整個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，企業(yè)在有限時(shí)間內(nèi)完成3次仿真、2次工藝升級(jí)，最終支撐用量較原方案減少60%，打印時(shí)間大大縮短，材料浪費(fèi)與生產(chǎn)周期實(shí)現(xiàn)雙重優(yōu)化。

圖8 3D打印的葉輪零件

超大規(guī)模生產(chǎn)方案快速迭代

除了預(yù)判生產(chǎn)結(jié)果，仿真軟件還能用來(lái)做什么？

那就是工藝方案的虛擬迭代。有工程師會(huì)通過(guò)在行業(yè)多年的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成零件的迭代，這一定是可以的。但生產(chǎn)周期一旦緊湊，工藝準(zhǔn)備時(shí)間有限，那迭代速度就會(huì)無(wú)法達(dá)到要求。如何在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)工藝方案的最大化迭代優(yōu)化，成為制造企業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

圖3 VoxelDance Engineering 仿真套件界面

傳統(tǒng)的仿真軟件算法一天完成1輪仿真，漫格VoxelDance Engineering(VDE)打印過(guò)程仿真套件通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新構(gòu)建了全流程工藝優(yōu)化能力，現(xiàn)在可以一天進(jìn)行5輪仿真和變形補(bǔ)償，這將會(huì)極大地提升研發(fā)效率。

1. 專為增材制造開(kāi)發(fā)的獨(dú)立算法：避免了傳統(tǒng)通用軟件的冗余代碼問(wèn)題。通過(guò)GPU并行計(jì)算架構(gòu)，計(jì)算效率比傳統(tǒng)CPU算法提升5-10倍。

2. 超大規(guī)模文件處理能力：經(jīng)過(guò)暴力測(cè)試，單個(gè)18G的模型文件仍能流暢運(yùn)行，可滿足航空航天、重型裝備等領(lǐng)域復(fù)雜零件的仿真需求。

3. 本地AI模塊與自適應(yīng)網(wǎng)格：內(nèi)置本地神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AI模塊，輔助固有應(yīng)變值提取，支持自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和百萬(wàn)級(jí)以上網(wǎng)格計(jì)算。

4. 全方位仿真與后處理：可進(jìn)行熱、力、熱力耦合仿真，涵蓋完整的后處理工藝流程。仿真結(jié)果包含溫度、位移、應(yīng)力等專業(yè)數(shù)據(jù)。

5. 精準(zhǔn)補(bǔ)償功能：支持基于仿真結(jié)果的線性補(bǔ)償與非線性補(bǔ)償，可直接在軟件內(nèi)對(duì)比零件掃描模型與設(shè)計(jì)模型，并基于掃描結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償。

僅依靠仿真軟件進(jìn)行單次打印預(yù)判的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去。如今，能夠通過(guò)一套完整解決方案——涵蓋模型處理、支撐設(shè)計(jì)、打印仿真、變形補(bǔ)償及支撐聯(lián)動(dòng)等全流程——大幅提升整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)效率，才是行業(yè)發(fā)展的未來(lái)方向。當(dāng)前，除航空航天領(lǐng)域外，3C電子和鞋業(yè)也正迎來(lái)市場(chǎng)上升期。在這一背景下，高效率、高精度與用戶友好性已成為幫助使用者搶占先機(jī)的關(guān)鍵要素。

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