[增材]Abaqus、Tosca和Isight联合仿真提高3D打印工艺水平

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了增材制造（AM）即3D打印技术的发展和应用，并探讨了如何通过仿真技术提高AM产品的质量和可靠性。Abaqus等仿真软件可用于模拟3D打印过程中的材料特性、成型工艺、残余应力等方面，从而优化打印参数、减少零件扭曲、提高零件性能。此外，DS SIMULIA工具集提供了多种解决3D打印问题的方案，包括拓扑优化、晶格结构设计、力学性能分析等。最后，文章总结了仿真在增材制造中的重要作用，并指出随着技术不断发展，仿真将在更多领域得到应用。

从Abaqus2017始，Abaqus新增增材制造插件（AM Plug-In），可方便快速工艺设置，仿真3D打印过程。

3D打印

增材制造（AM），也就是我们众所周知的3D打印，这种制造技术自上世纪80年代以来一直在发展，经过大量证明它在许多领域都有具有价值。AM是一个逐层打印的过程，通过将金属、塑料、合金或者一些混合材料进行融化或黏合，制造生产出所需要的零件。

近年来，AM作为一种进步科技，有了更为广泛的普及；同时，通过制造商的大力推广，3D打印已走进我们的工作和家庭。值得关注的是，AM的范围已经超出了快速成型，正扩展到工具产品和直接使用产品。

几乎每天都能在新闻中看到关于这项技术的新应用，打印假肢、设计最爱的巧克力配料、现场制作桥梁，或者打印一**整的汽车。

然而，许多AM工艺的可靠性及可预测性仍存在巨大挑战，这也是3D打印零件的检验和工业中广泛应用的一大障碍。

增材设计

主要问题是：如何才能用仿真技术使AM设计可靠？我们能够一次就设计出正确的打印零件吗？

在3D打印中，仿真在许多关键性的步骤都扮演着重要的角色：功能设计、晶格结构、校准材料、制造过程优化、性能验证。

AM使得设计者从传统制造的约束中解放出来，允许他们在满足零件强度和性能的情况下，让他们的设计达到新高度来满足工程需求，轻量化就是一个例子：在满足特定的功能要求下用最少的材料来生产零部件。这种设计能够实现要得益于具有成熟的鲁棒、非线性拓扑优化技术的DS SIMULIA Tosca产品。

Tosca拓扑优化

AM也可以生产具有非常复杂的内部晶体结构的零件，这是传统的制造技术难以实现的。这种晶格结构减少的多余质量远大于仅仅使用拓扑优化。SIMULIA Tosca最新版可以让使用者在其结构中加入并排列这些晶格，以创建出最全功能的零件。

拓扑优化晶格结构

力学性能

在许多AM工艺中，能够表征正在使用的底层材料特性是一个关键的方面。通常，假如材料是金属合金，一个高强度激光沿着CAD软件向导路径在粉末床上熔化金属，一层一层地打印零件。随着热源移动，金属在本层熔化并和前一固化层加以黏固成混合零件，相变、冷却速率及其他机器特定参数（如打印速度）等都会导致金相和微观结构的变化。

3D打印制造的零件比传统方法如铸造制作的零件强度更高，但其力学性能的变化非常显著，因此有必要获取制造过程中的多尺度和多物理特性。当Abaqus早已成为求解零部件宏观力学性能的全局求解器，其用户子程序同样能够让研究员和工程师模拟这些3D打印件的微观力学性能的物理现象。

Abaqus AM模拟3D打印成型工艺过程

残余应力、优化和寿命

除了材料特征，3D打印制造过程本身可能导致制造出的零件与设计模型有显著误差。设计的零件没有应力或变形，并被设定了标准材料，然而在增材制造AM（属于热加工工艺）中，残余应力积累、部件扭曲和材料性能变化都会发生。

DS SIMULIA Isight可以在这方面给我们提供强有力的工具，用以研究制造工艺参数的影响，如沉积路径、构建方向和热强度，Isight可以用来优化残余应力、减小零件扭曲并改变材料行为以满足零件的工程应用，不管是静载荷、动载荷、振动或其他工程问题，都能够满足。最后，我们所寻求的是实际载荷情况下零件疲劳寿命，Fe-safe和Abaqus的深度结合能够对打印件的疲劳寿命作评估。

总结

现在来回答我们最初的问题。肯定确定以及一定，仿真具有巨大的潜力提高增材制造的产品质量，并支持增材制造在每个行业中的发展。随着技术方法的成熟，辅以众多的DS SIMULIA工具，可以解决许多当前出现的3D打印问题。

补充知识

航空航天工业一直是增材制造的先驱，如今已在零配件、工业模型、复杂结构、建筑设计、医疗辅助、动漫模型等领域有了极大的应用，尤其是高端精密机械、汽车以及相关联的模具行业，3D打印技术的应用价值主要有：1）概念建模：3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物模型，特别针对复杂结构的制作；2）原型测试：利用3D打印高性能及高机械强度的工程级材料使得企业内部可以快速制作产品或零部件原型并进行匹配度、功能性测试；3）直接数字制造(DDM)：直接数字制造是通过3D打印生产级别材料直接制造最终产品。