在增材制造領(lǐng)域，有一個(gè)公認(rèn)的說法，叫“打印容易，控形難”，尤其是對(duì)于一些輕量化設(shè)計(jì)，加上特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致制造難度的急劇上升。

尤其是對(duì)薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)，它的高精度3D打印充滿挑戰(zhàn)。加支撐，就容易在后處理過程中損壞結(jié)構(gòu)本身；不加或少加支撐，零件就有變形風(fēng)險(xiǎn)。

最近，通用技術(shù)機(jī)床研究院在一個(gè)典型的薄壁彎管零件研發(fā)中，就遇到了“控形與制造難題”。

薄壁彎管結(jié)構(gòu)的控形挑戰(zhàn)

該零件的尺寸為82*122*264mm，采用薄壁彎管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間狹窄、通道曲折，整體剛性差。面對(duì)這種零件，若采用傳統(tǒng)3D打印工藝，通常需要在零件薄弱區(qū)采用大量支撐固定。同樣的，大量支撐后期去除難，且存在精度損耗風(fēng)險(xiǎn)。

此外，打印零件時(shí)在持續(xù)的熱輸入與冷卻循環(huán)作用下，殘余應(yīng)力不斷累積，很容易誘發(fā)翹曲、變形等問題，尤其是管口區(qū)域，約束少、熱釋放路徑復(fù)雜，變形最嚴(yán)重。

如果此時(shí)仍按照傳統(tǒng)的“打印—掃描—修正—再打印”的路徑反復(fù)試錯(cuò)，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的材料與設(shè)備成本，研發(fā)周期也將難以保障，結(jié)果還充滿不確定性。

“設(shè)計(jì)優(yōu)化+仿真補(bǔ)償”

3D打印技術(shù)參考注意到，在傳統(tǒng)3D打印工藝行不通的情況下，通用技術(shù)機(jī)床研究院換了一個(gè)思路：采用漫格科技的VoxelIDance Additive(VDA)軟件，通過“設(shè)計(jì)優(yōu)化+仿真補(bǔ)償”的策略成功破解了控形與制造難題。

??第一步：設(shè)計(jì)優(yōu)化——引入“晶格結(jié)構(gòu)”

工程師首先，在VDA設(shè)計(jì)模塊，對(duì)零件最易變形的“管口區(qū)域”添加了可調(diào)控的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)。筆者查詢發(fā)現(xiàn)，該軟件支持在參數(shù)層級(jí)對(duì)晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活調(diào)控，也就是說這種“晶格”并非固定不變，而是可以根據(jù)受力分析，在不同區(qū)域精細(xì)調(diào)整晶格的粗細(xì)及其空間分布，使剛性分布更合理。

與此同時(shí)，晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)省去了傳統(tǒng)3D打印流程中變形補(bǔ)償后再手工重加支撐的繁瑣流程，大幅提升了復(fù)雜零件的打印穩(wěn)定性。

3D打印技術(shù)參考特意咨詢了漫格科技，晶格結(jié)構(gòu)僅添加在管口區(qū)域，內(nèi)部仍為空心，后續(xù)視具體的使用情況決定是否去除。

??第二步：仿真補(bǔ)償——逆向補(bǔ)償，精準(zhǔn)控形

團(tuán)隊(duì)按照以上設(shè)計(jì)進(jìn)行了打印驗(yàn)證。但掃描后發(fā)現(xiàn)，零件整體變形達(dá)到約0.4mm，仍超出設(shè)計(jì)公差范圍。于是，團(tuán)隊(duì)又啟動(dòng)了第二階段的校正。

添加晶格支撐后的模型本身包含約1200萬個(gè)三角面片，面對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用VoxelDance Additive仿真模塊制定了一套變形補(bǔ)償方案。

首先，將完整幾何模型導(dǎo)入VDA仿真模塊，利用軟件的并行計(jì)算能力，完整模擬打印全過程的熱-力耦合變形行為，并進(jìn)行精確仿真分析，預(yù)測殘余應(yīng)力與變形分布。

根據(jù)仿真結(jié)果，軟件自動(dòng)生成反向補(bǔ)償量，對(duì)原始設(shè)計(jì)零件進(jìn)行預(yù)變形修正，讓打印過程中的變形與預(yù)修正量相互抵消。

最后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用補(bǔ)償后的修正模型進(jìn)行第二次打印，對(duì)成品再次進(jìn)行三維掃描。數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果顯示：此前存在的嚴(yán)重變形問題得到了有效控制，整體尺寸偏差被收斂至0.2mm以內(nèi)，精度提升一倍以上。

為什么這個(gè)案例值得關(guān)注？

該薄壁彎管的案例，表面上看是一個(gè)軟件功能案例，但本質(zhì)上筆者認(rèn)為，它反應(yīng)了增材制造行業(yè)正在經(jīng)歷的一場隱形變革：單純依賴經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試錯(cuò)的方式，已經(jīng)難以滿足效率與成本的要求。以仿真為核心、以變形補(bǔ)償為手段的前置控制方法，可以在打印前識(shí)別問題，并在設(shè)計(jì)階段完成修正，顯著提升制造過程的確定性，大幅節(jié)約成本投入。

筆者注意到，漫格科技VoxelDance Additive軟件目前開放了免費(fèi)試用通道，感興趣的朋友可以聯(lián)系：sales@voxeldance.com

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