国产工业仿真软件VoxelDance增材制造应用实践
导读：增材制造在航空航天、汽车、医疗等多个行业中得到了广泛应用。这种技术通过逐层堆积材料，能够实现复杂结构的设计与生产，大幅度提高了制造的灵活性与效率。随着对轻量化和个性化需求的增加，增材制造在产品创新与资源节约方面表现出了巨大的潜力，实现对增材制造过程的仿真具有重要的现实意义。
增材制造工艺过程的仿真是一个综合了热传导、热应变、弹塑性力学等问题的多场耦合问题。对增材制造工艺的高效仿真能够对可能出现的问题进行预测，及时规避打印失败的风险。11月6日20时，笔者受邀在仿真秀主办的2024国产工业软件新进展专题报告会第九期做《国产工艺仿真软件VoxelDance增材制造应用实践》线上讲座，感兴趣的朋友可以提前报名，支持反复回看。
2024国产工业软件新进展（九）：国产CAE工艺仿真软件在增材制造中的实践和应用-仿真秀直播
一、增材制造技术面临的挑战
增材制造技术，即3D打印技术，近年来在航空航天等工程领域取得了显著的发展。但在实际应用过程中仍面临许多挑战和问题。
首先，不同材料的打印参数复杂，影响部件性能和可靠性。其次，打印过程中的热应力和变形问题难以控制。尤其是以SLM工艺为代表的金属3D打印中会经历多次热循环过程，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，甚至导致零件开裂。同时，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相关设备参数，如激光功率、扫描速度和扫描策略等参数均可能会对打印结果产生影响。
此外，3D打印部件的后处理和质量检测也是一大难题，需要耗费大量时间和资源。再者，由于航空航天等工业领域对安全性和可靠性的要求极高，任何微小的缺陷都可能导致灾难性的后果。因此，如何确保3D打印部件的质量和一致性成为亟待解决的问题。为了应对这些挑战，仿真技术的应用在3D打印过程中显得尤为重要。
二、增材制造仿真现状
1、微观尺度模拟
对增材制造过程的仿真模拟主要可以分为微观尺度模拟和宏观尺度模拟。从微观尺度上来看，金属增材制造是原料在移动热源的作用下，按预定的逐层逐道扫描顺序，依次由固态粉末、丝材转化为液态熔池，再转化为固态零件的过程。采用高保真的数值模拟方法对上述过程进行微观尺度仿真，是揭示金属增材制造缺陷形成机理、优化工艺参数的关键手段。其主要方法有热流耦合法以及热固耦合法。
（1）热流耦合法：该方法关注熔池内熔融金属的流动和传热过程，不考虑其中所涉及的固体力学问题，通常采用有限体积法、任意拉格朗日-欧拉法和格子玻耳兹曼法等进行求解。该方法主要用于研究成形过程中冶金缺陷的形成机理，并且可以作为微观组织数值模拟算法的输入。
（2）热固耦合法：该方法关注成形过程中熔覆沉积材料、基板的温度分布以及与温度变化相关的内应力变形演化过程，不考虑熔池内部的流动和对流传热,通常采用有限元法进行求解。
2、宏观尺度模拟
然而，微观法由于建模的极端复杂性以及高昂的计算成本，目前仅能求解有限道次和有限层数规模的问题, 无法开展更大规模增材制造过程的预测分析。对于零件级的模拟则主要采用宏观法。该方法通过“生死单元”的设置以及“宏观层”的概念实现逐层打印的模拟，其核心算法为热力耦合法以及固有应变法。
（1）热力耦合法：金属增材制造零件内残余应力主要来源于温度梯度、冷却收缩以及固态相变。通过瞬态热分析可以获得各层的温度分布及其在制造过程中的演化历程。然后以各层温度作为输入，结合高精度的材料热弹塑性本构关系，计算零件在逐层打印过程中的变形和应力。
（2）固有应变法：该方法基于焊接理论而形成，可以大大减少计算时间。通过微观尺度模拟以及标准件变形标定等方法，确定材料的固有应变值，并将固有应变作为初始应变逐层施加到宏观尺度零件有限元模型中，进而预测零件的残余应力与翘曲变形。
三、国产工业仿真软件VoxelDance增材制造应用实践
在全球制造业迅速发展的背景下，国产CAE软件也取得了一定的发展，但仍面临着严峻的挑战，与国际先进水平仍有着较大的差距。此外，企业对于软件的信任度以及使用习惯也影响了国产CAE软件的市场渗透率。
与此同时，增材制造技术的崛起为工业仿真软件的需求提供了新的动力。由于增材制造技术的复杂性和多样性，企业迫切需要高效的仿真工具，以准确预测翘曲变形、应力分布和温度场等关键参数。这不仅有助于设计方案的快速迭代，还能有效规避打印失败的风险，降低生产成本。正是在这一背景下，国产工业仿真软件VoxelDance应运而生。该软件结合了国内增材制造行业的需求，旨在为企业提供高效、精准的仿真解决方案，从而提升产品设计的灵活性和制造过程的效率。
11月6日20时，2024国产工业软件新进展专题报告会第九期我们将邀请上海漫格科技技术负责人刘鑫老师做《国产工艺仿真软件VoxelDance增材制造应用实践》线上讲座，感兴趣的朋友可以提前报名，支持反复回看。以下是直播安排
2024国产工业软件新进展（九）：国产CAE工艺仿真软件在增材制造中的实践和应用-仿真秀直播
本次直播将结合几个实际案例来介绍VoxelDance仿真软件的相关功能以及适用场景，如下面列出的3个典型案例，我将在仿真秀的直播间和大家分享，欢迎大家报名和交流互动。
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（完）
