案例分享 | Simufact Additive——3D打印仿真软件在医疗行业的应用

概 述

金属3D打印技术以其独特的加工形式、高效的定制能力,现已成为非标流线部件及拓扑镂空等部件的重要加工方式。在医疗行业中,骨小梁、骨骼、关节等各项人体植入物都需要对患者进行针对性定制。针对定制成形的非规则部件的加工,3D打印以其普适性高、加工精度高等优势,已成为植入部件加工工艺的最优之选。

然而,在金属的3D打印过程中,虽然单件产品可快速成形,但打印成形的过程往往伴随着部件变形、打印过程中刮刀的碰撞、打印后收缩导致的开裂等一系列问题。在增加试错成本的同时,也严重影响着患者的医疗时效性。针对以上问题,海克斯康旗下的Simufact Additive仿真软件可对打印部件进行快速仿真分析,预测可能的打印失效方式,并可对部件的打印变形进行自动迭代补偿,帮助客户实现“一次打印即可成功”的目标需求。

Simufact Additive简介

Simufact.Additive 是全新开发的增材制造工艺仿真软件,专门用于模拟金属材料铺粉增材制造过程。通过Simufact. Additive不仅可以虚拟再现增材制造过程,预测增材制造过程中以及结束后结构的变形和最终形状、残余应力。并可以辅助进行增材制造工艺参数(堆积方向、支撑结构、切割方向、材料、扫描速度、热源参数等)的设计和优选。进而帮助设计人员进行改进工艺设计方案的虚拟验证,从而最终实现“一次打印即可成功”的目的。

Simufact.Additive 侧重于粉床熔融工艺仿真分析,其中包括选择性激光熔融(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)、LaserCUSING®、等效模拟EBM(考虑真空环境和基板预热)、多种金属粉末床熔融(PBF)等。

图:Simufact.Additive图形用户界面(前处理)

Simufact Additive典型案例

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3D打印复合材料仿真领域,选择合适的软件对于实现高精度的模拟和优化制造流程至关重要。以下是一些推荐用于3D打印复合材料仿真的软件: ### 1. ANSYS ANSYS 是一款广泛应用于工程仿真领域的软件,支持多种物理场耦合分析。其复合材料模块可以用于模拟纤维增强复合材料的热力学行为、层合板结构响应等。通过 ANSYS,用户能够对3D打印复合材料进行详细的应力-应变分析,并预测制造过程中的变形与残余应力分布。 ### 2. ABAQUS ABAQUS 提供强大的非线性有限元分析能力,特别适用于复杂材料行为的建模。对于3D打印复合材料,ABAQUS 可以处理多尺度建模问题,包括微观纤维-基体相互作用及宏观结构性能评估。此外,它还支持自定义材料模型,便于研究人员根据特定需求开发新的仿真方法[^3]。 ### 3. Digimat Digimat 是专为复合材料设计的多尺度建模工具,能够从微观到宏观层次全面描述材料特性。该软件可与主流FEA工具(如 ANSYS 和 ABAQUS)集成使用,提供高效的均质化算法来简化复杂复合材料结构的计算成本[^3]。这对于3D打印中涉及的随机取向纤维或颗粒增强复合材料尤其有用。 ### 4. Simufact Additive Simufact Additive 主要专注于金属增材制造工艺的仿真,但同样适用于某些类型的复合材料打印过程。它可以模拟整个打印流程,包括热传导、熔池动力学以及支撑结构去除后的变形预测。此软件有助于优化打印参数并减少实际生产中的试错成本。 ### 5. Netfabb Simulation Netfabb Simulation 是 Autodesk 推出的专业级增材制造仿真解决方案之一。除了基础的热-力耦合分析外,它还提供了针对不同打印技术(FDM, SLA, SLS 等)的具体模型库。Netfabb 支持用户导入自定义材料属性文件,非常适合需要高度定制化的复合材料应用研究。 ### 6. CuraEngine / PrusaSlicer (开源选项) 虽然这些主要是切片器程序而非传统意义上的“仿真”软件,但对于理解和支持3D打印路径规划方面具有重要意义。结合其他CAE工具时,它们生成的G代码轨迹信息可以帮助更准确地再现真实打印条件下的温度场变化和材料沉积顺序。 ### 示例:利用Python脚本控制G代码生成 ```python # 示例代码 - 使用Python生成简单直线移动命令 def generate_gcode_line(x_start, y_start, x_end, y_end): gcode = [] gcode.append("G21") # 设置单位为毫米 gcode.append("G90") # 绝对坐标模式 gcode.append(f"G0 X{x_start} Y{y_start}") # 快速定位起点 gcode.append("M82") # 设置挤出机绝对模式 gcode.append("G1 Z0.2 F7200") # 抬升至指定高度 gcode.append(f"G1 X{x_end} Y{y_end} E1 F1200") # 直线移动同时挤出材料 return '\n'.join(gcode) print(generate_gcode_line(0, 0, 100, 100)) ```
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