金属3D打印晶格结构热力学仿真，如何做到又快、又准？

最新推荐文章于 2025-07-05 11:02:21 发布

3D打印技术参考

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晶格结构对于发挥出3D打印技术的作用具有重大价值，它可以实现轻量化、最大化比表面积实现更好的散热，同时能有效缓冲冲击力、均匀分散应力。3D打印制造的晶格结构因此受到了来自航空航天、汽车、医疗、运动等行业的广泛应用。

然而，金属3D打印零件若希望能一次性成功制造，仿真模拟是不可避免的流程，尤其对于高价值应用。可是，晶格点阵结构具有大量的网格，这为热力耦合仿真带来很多挑战。本期内容，3D打印技术参考分享漫格科技在一项应用中，快速布置晶格、并进行可靠快速仿真验证的案例。

以BCC晶格代替支撑，快速部署

以金属自行车头管为例，漫格科技用VoxelDance Additive增材制造一体化CAx软件平台，优化了自行车头管的支撑，降低了后处理难度，并用热力耦合仿真验证，实现3D打印一次成型。

工程师使用VDA软件，将零件倾斜45°进行摆放。按照过往的经验，在易发生变形的零件部位添加了“块和柱支撑”的组合支撑，尤其是管口处。从生成的支撑侧切面可以看到，支撑结构比较多。这增加了后处理的难度，也增加了材料的浪费。

使用VDA软件自动生成支撑

自行车管口生成支撑的侧切面

为了优化支撑结构，漫格将管口部位的支撑变为BCC晶格结构，来减少支撑的使用，控制管口处的变形情况。

最新版本VDA中的隐式设计模块VoxelDance Design（VDD）可以快速地为自行车头管添加BCC晶格结构。隐式建模可以实现基于数学公式、有限元分析结果等参数驱动式设计。复用工作流节点可以对多个管口实现批量化的晶格添加，并通过尺寸调节，密度渐变实现性能的优化，显著缩短产品迭代周期。

自行车头管添加BCC晶格结构

随后，在零件底部添加“块和柱支撑”的组合支撑，即可完成零件打印前的数据准备。整个过程都在VDA中进行，无需导出文件。尤其是针对所占内存比较大的零件，更是方便了工程师的工作流程，节省了不少文件导出转化造成的麻烦。

点阵结构热力耦合仿真

稳定、快速

3D打印存在着部件的变形和开裂问题，在反复的试错和摸索过程中，会浪费大量的非生产性的时间成本。为了实现一次打印成功，工程师使用VDA中的VoxelDance Engineering（VDE）仿真模块进行仿真过程验证。

BCC晶格点阵结构具有复杂的几何特征，为热力耦合仿真带来不少的挑战。点阵结构的网格通常包含大量细小而密集的结构，这使得有限元网格划分变得极为困难，既要保证几何细节的准确捕捉，又要控制计算量在可接受范围内。

对于热仿真，点阵结构的热传导路径复杂，局部热梯度变化剧烈，导致热应力分布高度不均匀，增加了热力耦合求解器的收敛难度。在成形过程中，由于点阵单元之间存在非均匀的能量输入和散热条件，传统的简化热源模型难以真实反映其实际温度场分布。

在力学仿真中，点阵结构作为一种周期结构，其力学行为高度依赖于几何拓扑和单元连接方式，在宏观层面呈现出明显的各向异性与非线性响应特征。点阵结构中的局部力学响应如屈曲和断裂行为具有强烈的尺度效应，极易受制造缺陷或加载边界扰动的影响，这对本构模型的构建和数值算法的稳定性提出了更高要求。

热力耦合仿真结果

而VDA的仿真模块对点阵结构具备良好的兼容性与适应性，能够稳定地完成其在热力过程中的全过程模拟，有效的对复杂的晶格结构进行过程仿真。

从两种支撑方案来看，利用晶格结构控形可以减少将近85%的支撑体积。在提高打印效率的同时，节省材料降低成本，降低后处理难度。

两种方案支撑体积的对比

实际打印效果

3D打印在产品制造的整个测试过程中起到非常重要的作用，它可以很快的让客户得到测试结果，缩短生产周期。

VDA增材制造一体化工业软件可以无缝完成设计、制造、到仿真整个工作流，根据仿真的结果优化设计，快速进行设计迭代，加速测试进程。其中仿真模块（VDE）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。强大的算法可以解决点阵晶格的过程仿真，实现更高的打印成功率。

申请试用或了解更多信息，请联系：sales@voxeldance.com

关于【VoxelDance Additive】软件

VoxelDance Additive，由上海漫格科技有限公司自主研发，是一款集成了建模、仿真与制造功能的增材制造（3D打印）工业软件平台。该平台包括设计软件VoxelDance Design、仿真软件VoxelDance Engineering以及制造软件VoxelDance Manufacturing，旨在为企业提供一站式的3D打印解决方案。

VoxelDance Additive 软件平台通过整合设计、研发、制造、仿真、路径规划和打印任务管理等关键环节，构建了一个无缝的增材制造数字流程。这一流程不仅优化了数据传输的效率，还显著降低了数据丢失或失真的可能性，从而为企业显著提升生产效率、产品质量，并有效降低制造成本。

该平台支持包括LPBF、SLA、DLP/LCD、SLS、砂型、微纳在内的多种工业级增材制造技术，服务于航空航天、快速原型、鞋模设计、树脂与金属齿科、珠宝设计、医疗器械、教育研究、工业模具以及消费品制造等多个行业。【VoxelDance Additive】目前提供1个月的免费试用，长按、识别下方二维码后，申请试用。