雖然增材制造/3D打印技術具有優化高價值零件設計等優勢，但是該技術仍存在一些不足，例如在制造3D打印零件時，零件可能偏離其理想化的CAD原始設計，導致最終制造的零件中存在缺陷。這種不確定性不利于3D打印技術的廣泛應用。

仿真分析和零件無損檢測是控制粉末床金屬3D打印零件質量的兩種方式。通過有限元分析（FEA）仿真技術對3D打印零件的設計進行虛擬評估，可以減少增材制造缺陷的發生。在零件打印完成之后，使用計算機斷層（CT）掃描技術進行3D打印零部件的檢測，可以識別出部分影響部件功能的內部缺陷和其他特征。

然而，如果這些不同的技術相互之間沒有銜接，將增加增材制造工藝的應用難度。為了解決這一問題，Synopsys，North Star Imaging（NSI）和ANSYS合作開發了一個工作流程用于銜接增材制造、CT 檢測和仿真。

Synopsys的Simpleware軟件用于從NSI的3D打印零件CT掃描生文件中成有限元網格，目的是在ANSYS軟件中識別缺陷并模擬零件性能。匹茲堡大學和穆格公司利用這一工作流程，對金屬3D打印的輕量化支架和脈沖液壓歧管進行了研究。本期，3D科學谷將分享匹茲堡大學和穆格的2個研究案例。

降低增材制造仿真工作流程的復雜性

匹茲堡大學的Albert團隊使用ANSYS的均勻化和結構優化工具來修改航空航天支架的幾何設計，這些工具用于創建帶有輕量化點陣結構的支架。在使用均質模型驗證設計后，研究團隊使用EOS的選區激光熔化3D打印設備直接制造該鈦合金支架。

圖片來源：Simpleware

雖然這種方法可以實現多個設計迭代, 以對3D打印支架進行概念驗證，但該方法并不總是能夠捕獲設計和構建部分之間的差異。為了識別這些差異，匹茲堡大學的研究團隊首先通過NSI進行CT掃描，以獲得極好的細節。然后將CT數據導入Synopsys Simpleware軟件進行處理和分段，以識別感興趣的區域。

在Simpleware軟件中創建的有限元網格。

Simpleware軟件將部件與其周圍空間進行分段，并生成優化的3D表面和體積FE（有限元）網格。在此階段，Synopsys-NSI-ANSYS工作流程比使用圖像數據的其他工作流程更有效，因為Simpleware軟件直接將模擬就緒網格導出到FE求解器，從而無需對導出的文件進行手動修復。

基于圖像的模型的準確性被用于與原始CAD設計進行偏差分析。在使用軟件的偏差分析工具識別它們之間的關鍵差異之前，使用Simpleware軟件的標記和自動注冊工具來對齊這兩個部分。通過該方法，可以發現制造過程中先前未檢測到的問題，使研究人員能夠將它們納入3D打印零部件的未來設計迭代中。

匹茲堡大學的研究人員接下來將FE體積網格導入ANSYS Mechanical軟件，對原始CAD設計和CT掃描部件的性能進行結構模擬。模擬解決了機械載荷問題，并驗證了原始設計和制造設計之間的偏差不會影響組件的性能。

降低3D打印液壓歧管性能的不確定性

穆格公司也將Synopsys-NSI-ANSYS工作流程用于檢測和性能模擬。

穆格使用CAD工作流程進行增材制造脈沖壓力歧管的設計與測試，該零件具有特定材料和液壓流體配置。該零件通過Renishaw公司的選區激光熔化3D打印設備AM 250 進行制造，在打印前通過ANSYS Mechanical 軟件進行了仿真模擬。

展示內部細節的脈沖壓力模型。

3D打印液壓歧管在Simpleware軟件中進行分割之前，首先由NSI 進行CT 掃描。掃描部件內部特征的可視化顯示了制造過程中的孔隙，裂縫和殘留粉末。與原始CAD設計相比，還可以揭示出部件孔隙率等幾何偏差。有限元網格從CAD和斷層CT數據中被生成，用于在ANSYS Mechanical軟件中模擬最大主應力。在此過程中，CAD設計和3D打印部件之間增加的最大主應力被確定下來。

穆格通過這些結果來掌握液壓歧管的設計迭代及其增材制造質量，從而降低3D打印液壓歧管性能的不確定性。

 小結

以上兩個案例展示了將CT 檢測、仿真、增材制造進行銜接的工作流程，在改進3D打印金屬零部件設計和制造決策中的應用。該工作流程的主要優點是其速度以及通過偏差分析準確比較CAD和基于圖像的模型的能力。 應用金屬3D打印技術的制造商，可以從零件設計過程中即找到更多潛在的錯誤、缺陷，從而在進行零件生產時減少這些錯誤，在制造時間、材料利用、檢測精度、成本等方面提高增材制造的效率。

來源：3D科學谷