增材制造技术应用于能源领域，其主要优势在于能够制造出传统制造方法难以实现的复杂结构，提高打印件的结构完整性，减少材料浪费，缩短生产周期。但在实际应用中仍然面临着许多挑战，例如：不同材料的打印参数复杂，从而影响部件性能；打印过程中的热应力和变形问题难以控制，导致成品质量不稳定。为了应对这些挑战，工艺仿真就尤为重要。
仿真能够帮助提高生产效率和成品质量。在3D打印过程中，零件可能会出现多种缺陷，如翘曲、开裂、孔隙、变形等，仿真可以预测这些缺陷的发生，并提供相应的调整建议。3D打印中材料的选择、打印速度、层厚、温度等参数，也会对最终部件的性能产生重大影响。而在新品开发过程中，仿真可以快速验证设计的可行性和可靠性，减少原型的制作次数，缩短研发周期。对于生产部门来说，仿真可以减少支撑结构和材料浪费，从而降低开发和生产成本。最后，仿真确保了打印部件的机械性能和精度，满足严格的质量要求。
全流程工艺仿真和分析，提速5-10倍
VoxelDance Engineering（VDE）是由漫格科技自主研发的一款仿真软件，它能够对增材制造过程进行全流程工艺仿真和分析，帮助工程师在实际打印之前预测和规避潜在的问题。软件的求解算法利用GPU并行加速，相对于传统的有限元求解算法，提速了5-10倍。
在漫格自主研发的仿真软件上线后，根据客户的需求，漫格科技对一封闭叶轮模型进行了仿真优化。考虑到添加支撑的数量和后处理时去除支撑的困难，以及打印设备尺寸等因素，将模型倾斜45°摆放，并用VoxelDance Manufacturing（VDM）软件设计支撑方案（图1）。该方案为全支撑方案（零件的底部加满支撑），打印虽然会成功，但难免会造成材料和打印时间上的浪费。因此，出于对成本以及方案可行性的考量，客户要求在保证打印成功的前提下尽可能的减少支撑。
图1 封闭叶轮全支撑打印方案
此案例中，使用了汉邦激光HBD-200D机型进行打印。HBD-200D配备外置净化循环系统，与主机实现实时通讯，实时监控及反馈成形氛围；滤芯使用总寿命可达2000小时以上，满足高强度、长时间、连续性生产的打印任务执行。
封闭叶轮打印信息 | |
打印设备机型 | HBD-200D（汉邦科技） |
材料 | 316L不锈钢 |
打印时长 | 50小时 |
3D打印过程仿真优化
此外，金属材料的各种材料参数，如热膨胀系数、导热率和弹性模量等参数以及设备参数，如激光功率、扫描速度和扫描策略等参数均可能影响翘曲现象。
方案一
为减少支撑，首先参考了SLA的经验设计了一种少支撑方案（图2），并使用VoxelDance Engineering（VDE），对该方案进行仿真。仿真完成后，将零件的最大允许位移量设置为0.5，位移超过0.5的部分将会显示成红色，同时将变形比例放大至3倍，仿真结果如图3所示。
图2 少支撑方案一
图3 少支撑方案一仿真结果
零件边缘大部分区域的位移都超过了容许范围，这是由于SLM工艺中的热循环过程，即激光熔化和随后的冷却反复进行，会引起材料的反复热胀冷缩，每一层的热循环都会产生新的应力和变形，尤其是对于高导热性的金属材料，这种效应更加显著。热循环的不均匀性和累积效应以及热应力、残余应力等因素的多重影响会引起较大的翘曲变形。若缺乏必要的支撑，翘曲变形无法得到有效限制，会对打印结果产生严重影响，因此这种方案是不可能打印成功的。
方案二
根据方案一的仿真结果，用VDM软件重新设计了另一版支撑方案（图4）。在方案一中可能出现较大变形的位置增加了支撑。使用VDE软件仿真完成后，依然将最大允许位移设置为0.5，仿真结果如图5所示。
图4 少支撑方案二
图5 少支撑方案2仿真结果
这次的仿真结果表明：零件各处的位移量都在允许的范围内，仅仅是在支撑的某些地方存在着较大变形，这对零件本身并没有太大影响。但即便如此，还需要考虑打印过程中可能出现的变形问题。最关注的是零件上表面Z方向的位移。因为打印的每层厚度是50μm，如果打印过程中零件上表面的翘曲位移超过的这个值，刮刀就会有撞刀的风险，进而导致打印失败。因此在VDE仿真软件中将允许的最大位移设置为0.05，逐层查看上表面的翘曲情况。发现在打印的过程中，图6所示位置处的翘曲已经明显超过了允许范围。
图6 方案2打印过程仿真结果
可以判断该方案在打印到这个位置时极有可能出现撞刀的情况导致打印失败。为了验证预测，将这个方案进行了真实的打印。真实情况如图7所示，与仿真预测的结果完全一致。
图7 实际打印零件翘起情况
方案三
为避免因打印过程中，构件上表面翘曲而引起撞刀，在最终版方案中，将容易发生翘曲的位置A处增加了较强的支撑（图8），随后进行了仿真。仿真结果中可以看到（图9）：零件的变形都在允许的范围内，进一步追踪打印过程中的翘曲位移，之前翘曲严重的区域现在未呈现明显的翘曲。
图8 少支撑方案三及底部视图
图9 方案三打印结束后及过程中仿真结果
图10 方案2中B位置仿真结果
对于图8中的B位置，此前的仿真结果显示该位置变形较小，为防止因重力而引发塌陷，只需在此添加弱支撑即可（图10）。通过VDE最终的优化方案，实现了一次打印成功，打印出的零件如图11所示。
图11 依据最终方案打印成功的零件
并且对于在此前方案二中预测变形较小的区域B，其打印结果表明：支撑连接处并无开裂（图12），这也进一步证明了仿真结果的准确性。
图12 打印件内部情况展示
在本案例中，使用了VoxelDance Engineering（VDE）对支撑方案进行仿真来预测打印结果，判断零件是否能够打印成功，并依据仿真结果在VoxelDance Manufacturing （VDM）中对支撑方案进行改进。VDE实现了过程可视化，可以及时预测出打印过程中可能出现的问题并对支撑方案进行进一步优化调整，最终得到可靠的方案以确保打印成功。此案例中的汉邦激光的HBD-200D金属3D打印机以其高精度、高稳定性和人性化设计，提供了高效、高质量的金属3D打印体验。
相比于之前的全支撑方案，方案三减少60%的支撑，很大程度上减小了材料的损耗。打印一次封闭叶轮的时间在50小时左右，如果通过真实打印来优化零件，其时间成本以及材料设备等方面的开销是不可估量的。而VDE对封闭叶轮进行一次仿真的时间只需要3个多小时，仿真结果可以避免因打印失败而造成的多种损失。VDE仿真软件可以减少实验次数和材料浪费，从而降低开发和生产成本，最终确保打印部件的机械性能和精度。
联系漫格科技：sales@voxeldance.com
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