金屬3D打印仿真的案例
CAE仿真可以讓3D打印更簡單
采用MSC提供的特殊建模技術，無論部件形狀多么復雜都能快速建立適合 3D打印工藝仿真的模型；在求解技術方面中，通常一個復雜的3D打印工藝仿真可以在幾十分鐘到數個小時內完成，預測的變形誤差在5%以內。下面是實際通用機械和飛機結構金屬3D打印仿真的結果示意圖：
設計仿真 | Cradle CFD助力金屬3D打印工藝優化
不同溫度下粘結劑的鋪展形貌
實驗驗證：從虛擬到現實的閉環驗證
為驗證仿真結果，團隊設計了系統的打印實驗。采用M400Pro金屬3D打印機，在不同溫度下打印15 mm×10 mm×8 mm的長方體生坯。
不同溫度下打印生坯
不同溫度下打印生坯各方向的平均尺寸
? 溫度20℃→40℃ ：樣件高度（滲透深度）從7.95mm增至8.05mm，長度從15.02mm變化至14.95mm，寬度從10.02mm變化至9.96mm。 仿真結果與實驗數據偏差<5%，驗證了仿真計算的可靠性。
案例總結
應用突破
? 量化溫度影響：建立粘結劑粘度-溫度-滲透行為的數學模型，為工藝參數優化提供理論依據；
? 工藝參數優化：指導企業設定最佳溫度區間，平衡滲透深度與鋪展均勻性；
? 復雜結構打印：通過仿真預測液滴融合行為，避免層間粘結不足或過度滲透導致的缺陷；
? 成本與效率提升：減少試錯實驗次數，縮短新產品開發周期。
未來展望
金屬粘結劑噴射技術的成熟，離不開CFD仿真工具的賦能。Cradle CFD憑借其多物理場耦合能力、高精度界面捕捉技術和高效計算性能，正在成為增材制造領域的核心研究工具。
這項研究不僅為金屬BJ工藝提供了科學指導，更彰顯了仿真技術從“輔助工具”向“決策引擎”的進化。在智能制造的時代浪潮下，Cradle CFD或將成為推動工業數字化轉型的關鍵技術工具。
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關于河北工業大學機械工程學院
機械工程學院前身是始建于1903年的北洋工藝學堂機器科，是創建最早的系所之一，1958年更名機械系，1998年更名為機械工程學院。學院擁有機械工程、力學、儀器科學與技術3個一級學科。機械工程、機械設計制造及其自動化、機械電子工程、車輛工程4個河北省重點學科。
展開 simufact.additive 3 金屬增材制造（3D打印）成形仿真軟件
Simufact 推出金屬增材制造（3D打印）成形仿真軟件第三個版本：
simufact.additive 3
考慮基板對增材制造3D打印成形工藝的影響
多個零件可以同時在一個工藝中(3D)打印模擬仿真
2017年11月9日，在德國漢堡，Simufact公司——MSC軟件公司，宣布發布金屬 增材制造（3D打印）成形仿真軟件第三個版本，Simufact.additive 3 。提供了熱-力耦合方法，允許用戶通過提供的組件的溫度的全局的分布觀察，可以更清楚地了解熱能的影響。用戶可以使用這些數據來確定變形和基板的影響。除了Windows求解器外，simufact.additive 3 提供了Linux求解器。因此，該軟件可以用于Linux 計算機上的仿真，例如在高性能的linux集群上求解。
分析整體構建過程
Simufact Additive 3 著重于用新的熱力學模擬方法分析構建過程中的分層計算。用戶現在可以收到有關組件中的熱行為的全局聲明，例如熱峰值負載，以便在在早期識別過熱區域。與固有應變法相比，熱力學方法考慮了更多的物理參數和邊界條件，其中包括熱相關變量，如激光功率，激光速度和預設溫度。
通過使用熱力學計算方法，用戶不需要預先執行校準。通過實施熱力學計算方法，用戶可以在建模過程中考慮打印機在軟件中的基本參數。
基板的影響
在增材制造過程中，工件不僅會產生變形和應力，基板同樣會影響打印過程以及后續工藝。在實際打印過程中，基板會產生變形和應力，這會對支撐結構和組件產生影響。在Simufact Additive 3中，工程師可以檢查那些基板對組件的影響。
基板的頻繁使用會導致額外的問題，因為他是一個易損件。每次生成后，一層材料被切除，這樣使其變的更薄。在接下來的打印項目中，用戶可以評估基板的變形，并確定何時需要更換基板。
展開 新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構
近日從外媒獲悉，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0．3至0．7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
新金屬3D打印技術允許激光設備逐滴打印金屬結構一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。
展開 
28臺金屬3D打印機生產200萬個金屬件，ExOne匹茲堡打印中心
2021年6月28日，南極熊獲悉，ExOne在美國賓夕法尼亞州匹茲堡郊外的金屬3D打印中心現在有28臺金屬3D打印機連續運行，專門為工業客戶和服務商生產不銹鋼零件。今年6月份，這個金屬3D打印中心完成了一個里程碑，生產了200萬個3D打印部件，涉及多種金屬零件。
粘合劑噴射3D打印公司ExOne自1995年創立以來，主要致力于創建由粉末狀金屬和沙子制成的零件。然而，在過去幾年里，競爭加劇，導致ExOne（納斯達克股票代碼：XONE）在其增材制造解決方案上推陳出新。作為其3D打印系統戰略的一部分，他們設計了一個打印中心，被稱為EACs，為考慮購買金屬粘合劑噴射3D打印機器的客戶提供工業3D打印系統和服務。這些中心能夠用各種工業材料和行業領先的產量進行打印，以滿足工業客戶的需求。
△金屬3D打印的需求，圖片來源：ExOne
位于全球各地的EACs每天在金屬增材制造系統上為工業客戶生產零件，并為Sculpteo和Xometry等服務商按需生產。例如，3D打印服務提供商Shapeways與ExOne公司有著長達10年的合作關系，并依靠該公司的粘合劑噴射機生產了超過100萬件不銹鋼件。
ExOne位于賓夕法尼亞州的金屬3D打印中心，自2005年以來一直在運營，最近增加了兩臺新的X1 25Pro金屬打印機，專門用于生產不銹鋼合金316L和17-4PH。該生產級工業系統于2019年發布，可以長期連續運行，以相對便宜的成本制造各種金屬物體。
△ExOne公司賓夕法尼亞州打印中心的Elnik爐，圖片來源：Business Wire
中心將增加新的3D打印機和大約十幾個熔爐，包括一個Elnik MIM3045 高容量批量爐 。
展開 金屬3D打印的最佳實踐(一)：NASA新材料3D打印工藝開發備忘錄
采用3D打印制造火箭發動機部件已經被業內專家作為一種潛在的解決方案，基于輕量化和一體化的制造優勢，3D打印可以減少部件的總數量并能釋放火箭的容量，同時帶來成本的降低。在這個過程中，材料及其安全可靠的打印工藝是極其重要的。
Heraeus展出輕量大件3D打印玻璃金屬，突破3D打印界限
金屬粉末專家Heraeus在芝加哥的Automate 2019展會上展示了由非晶態金屬（也稱為玻璃金屬）制成的3D打印齒輪。齒輪采用標準SLM系統進行3D打印，采用Heraeus的材料。通過這次全球首發，Heraeus正在突破3D打印的界限，為各種行業開辟全新的設計可能性——從自動化解決方案和機器人到航空、醫療技術和汽車行業。
Heraeus打印的非晶態金屬齒輪采用增材制造，重量為2千克。由于所需的高冷卻速率主要超過1000開爾文/秒，以前非晶態金屬只能生產小部件。由于齒輪的拓撲結構在開發過程中也得到了優化，因此與傳統制造版本相比，材料和工藝專家能夠將重量減輕50％。Heraeus現在已經在尺寸和復雜性方面重新定義了現有的技術限制，徹底改變了設計可能性，例如自動化行業和機器人技術。
采用Heraeus的特殊材料進行高精度的逐層生產，減少材料使用，減輕重量并降低成本。使用3D打印還可降低總體生產成本。使用傳統方法，制造復雜零件需要許多工藝和制造步驟。必須生產幾個單獨的部件再組裝。但是，3D打印機可以在一個過程中完成此任務。
非晶金屬是固體金屬材料，通常是合金，具有無序的原子級結構。大多數金屬在固態下是結晶的，這意味著它們具有高度有序的原子排列。非晶金屬是非結晶的并且具有玻璃狀結構。但是與普通玻璃不同，非晶金屬具有良好的導電性。非晶態金屬的特征在于良好的耐腐蝕性，優異的耐磨性和聚合物的彈性。它們還具有軟磁特性，易于磁化和消磁。
大部分的金屬在冷卻時都會結晶，把它們的原子排列成有規則的圖案，叫做晶格 (lattice)。但如果結晶不出現，原子便會隨機排列(random arrangement)，成為金屬玻璃 (metallic glass)。
普通玻璃的原子也是隨機排列，但它不是金屬。
展開 增材專欄 l 選區激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析
通過仿真的手段可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
視頻：粉末在激光作用下發生變化的過程
本期，安世亞太的仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件Ansys Fluent 對激光選區熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進行仿真分析，并在一定工況范圍內研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個參數對打印熔池及單道熔覆層的影響，該仿真過程的實現可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
通過對激光選區熔化激光與粉末的相互作用，單道熔池內金屬熔體的流動過程，相應工藝條件下熔池的形態及最終熔覆層的特性進行研究可以深入理解SLM制備機理，并可對SLM制備工藝設計和優化提供指導。
離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進行模擬，從而建立粉末床模型；選區激光熔化SLM金屬3D打印熔池及單道熔覆層的形成過程仿真可以采用計算流體動力學分析實現。
展開 增材專欄 l 選區激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析
通過仿真的手段可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
視頻：粉末在激光作用下發生變化的過程
本期，安世亞太的仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件Ansys Fluent 對激光選區熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進行仿真分析，并在一定工況范圍內研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個參數對打印熔池及單道熔覆層的影響，該仿真過程的實現可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
通過對激光選區熔化激光與粉末的相互作用，單道熔池內金屬熔體的流動過程，相應工藝條件下熔池的形態及最終熔覆層的特性進行研究可以深入理解SLM制備機理，并可對SLM制備工藝設計和優化提供指導。
離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進行模擬，從而建立粉末床模型；選區激光熔化SLM金屬3D打印熔池及單道熔覆層的形成過程仿真可以采用計算流體動力學分析實現。
展開 繼高速3D打印后，這家再進一步完善工藝，可混合不同的金屬粉末3D打印
近日，澳大利亞3D打印設備制造商SPEE3D表示已進一步完善了其著名的超音速3D打印流程。他們獨特的工藝是以超音速將金屬粉末的細顆粒噴向目標，由快速移動的金屬粉末顆粒攜帶的能量使粉末粘合到目標上，從而逐漸形成完全3D金屬物體。
其工藝的主要優勢是更快的3D打印速度，比典型的粉末床激光工藝快得多。此外，該工藝還可以使用在常見金屬3D打印工藝中不易使用或甚至不可能的金屬粉末。例如，銅是SPEE3D系統中常用的金屬，但在其他系統中很少使用。
（SPEE3D僅用十二分鐘3D打印的銅輪）
進一步完善了這項工藝后，SPEE3D甚至可以混合不同的金屬粉末以形成動態合金，以及將材料混合在一起。例如，SPEE3D的機器生產了復雜的鋁制散熱片，使用銅制的功能來傳遞熱量，適合戶外使用。
（SPEE3D僅用六小時3D打印出一個大型銅輪）
SPEE3D的另一項改進是他們提高了噴嘴的可用性，特別是針對某些材料。當噴嘴以超音速噴射金屬顆粒時，噴嘴承受很大的應力，噴嘴極容易發生磨損和堵塞的情況。
該公司的旗艦機LightSPEE3D打印機將有更大的機器WarpSPEE3D加入。這臺機器可能使用相同的內部組件，但是實現更大的構建體積（1000直徑x700mm）。
展開 增材專欄 l 選區激光熔化SLM金屬3D打印的熔池及單道熔覆層仿真分析
通過仿真的手段可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
視頻：粉末在激光作用下發生變化的過程
本期，安世亞太的仿真專家借助離散元分析軟件Rocky和計算流體動力學分析軟件Ansys Fluent 對激光選區熔化鋪粉過程及單道熔覆層的形成過程進行仿真分析，并在一定工況范圍內研究了激光功率、激光掃描速度和鋪粉層厚這三個參數對打印熔池及單道熔覆層的影響，該仿真過程的實現可以更直觀的研究激光選區熔化制備機理并為相關工藝參數優化提供指導。
通過對激光選區熔化激光與粉末的相互作用，單道熔池內金屬熔體的流動過程，相應工藝條件下熔池的形態及最終熔覆層的特性進行研究可以深入理解SLM制備機理，并可對SLM制備工藝設計和優化提供指導。
離散元分析可以對撒粉和鋪粉過程進行模擬，從而建立粉末床模型；選區激光熔化SLM金屬3D打印熔池及單道熔覆層的形成過程仿真可以采用計算流體動力學分析實現。
展開 
MTC借助COMSOL仿真 App 優化 3D 打印技術
仿真軟件自身也需要不斷地優化，這需要聯合整個增材制造生態系統，仿真軟件需要與機器制造商合作，以獲得設備的物理參數權利；需要與材料供應商合作，以保證材料科學指標是正確的；需要與測試專家合作，以確保正在測試的零件是正確的；需要和與用戶合作，以確保得到更多的預測結果與實際效果之間匹配的權利。根據所有的材料、設備和產品的關鍵信息，預測如何改變材料，機器和建模。仿真最終的目標是為了使人們不需要交“學費”，將設備當成試驗品，仿真的目的是不浪費時間和金錢，避免錯誤發生。
總體來說，專門針對于增材制造的仿真軟件是個新領域，在這種方式中，仿真將是管理預期的一種手段，在上機之前告訴制造商什么是可以做的，包括支撐結構的設置，怎樣做是優化的結果。可以說，仿真產生的洞察和理解，減少了制造商的痛苦和不可預知的故障。
根據3D科學谷的市場觀察，除了文中提到的COMSOL軟件，為了解決許多與金屬3D打印相關的常見問題，包括應力變形、裂紋、表面質量差、密度不足等問題，市場上比較常見的包括ANSYS旗下的3DSIM，德國創業公司Additive Works開發的基于仿真的金屬增材制造預處理軟件Amphyon等。
展開 微米尺度的黃金3D打印，逐滴打印金屬結構
2018年10月31日，特溫特大學的荷蘭研究人員開發了一種新的金屬3D打印技術，該技術允許激光設備逐滴打印金屬結構，包括純金，打印精度可以達到幾微米尺度。
通常，金屬結構可以通過光刻方法，鑄造，選擇性激光燒結或熔化來制造。然而，這些新方法還不適用于特征尺寸小于約10μm的金屬的3D打印，這對于電子設備而言將是非常有意思的。
研究人員的新技術被稱為激光誘導正向傳輸（又稱“LIFT”），它使用超短激光脈沖來熔化納米厚度薄膜中的微小金屬。這形成了熔融金屬的微滴，其可以噴射到目標位置后并固化。由于這種技術，UT研究人員能夠逐滴構建一個帶有銅和金微滴的螺旋微結構。這兩種金屬具有相似的熔點，在這種情況下，銅作為支撐，金可以在其上形成。
激光打印技術：通過依次打印銅和金，將銅蝕刻掉，產生純金的獨立螺旋
金屬液滴的體積只有幾個飛升（一萬億分之一）。制造液滴的方式是使用超短脈沖的綠色激光照射金屬。這種精確的液滴產生使得結構能夠精心構造，高度僅為幾十微米，并且具有小于10μm的細節，具有最小的表面粗糙度（約0.3至0.7微米）。對于研究人員來說，一個關鍵的問題是兩種金屬是否會在它們的界面混合：這會對蝕刻后產品的質量產生影響。研究人員在增材制造中寫道，這些金屬之間沒有混合的跡象。
一旦結構完成，研究人員就在氯化鐵中使用化學蝕刻來完全去除銅支架。通過這樣做，他們留下了純金的獨立螺旋復合材料。
螺旋的頂視圖（c）表明它是三維的，具有中心空隙。在（b）中，它仍然在銅盒中
創建完全獨立和懸垂的結構的能力對于打印復雜的3D設備至關重要。
展開 90μm層厚金屬3D打印工藝，進一步提升打印效率
該參數適用于所有配備有700W激光器的設備，在大幅提升打印效率的同時，仍能保證零部件的成型質量。正如案例所示，在配置四個700W激光器的SLM?500設備上，使用新研發的90μm層厚參數打印一個重達13.9kg的發動機缸頭， 成型時間創下了全新的記錄，全程僅需27小時，而實際成型效率更是達到了194cm3/h！與目前市面上普遍使用的30μm層厚打印參數相比，打印效率提升了400%以上！
提升打印效率的前提是保證打印質量與零部件性能，使用90μm層厚打印參數仍然可以滿足行業內對該零件的機械性能要求。新參數的公布進一步加速了金屬3D打印的工業化進程，SLM Solutions表示，只有不斷提升打印效率及生產力才能將金屬增材制造的優勢最大化，從而為合作伙伴們帶來持續、穩定且可增長的收益。
展開 液態金屬3D打印，將鎵銦合金材料“粘”在打印器件上
據南極熊了解，近日，夢之墨液態金屬材料技術團隊，在劉靜教授的帶領下發現，將具有較高黏附性的高分子涂層涂抹在3D打印器件上，可以將鎵銦合金材料“粘”在打印器件上。此外，對鎵銦合金進行特殊處理，在降低其流動性的同時提高黏附性，可以使其穩定維持在立體結構表面。同時，附著在立體結構表面的液態金屬涂層可以與周圍的液態金屬涂層形成“液橋”，從而實現金屬焊接的效果。這項研究成果相當于為傳統的3D打印賦予了特定功能，在實際應用中具有重要意義。
增材制造即3D打印，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變為可能，因而在航空航天、文物保護、醫療健康等領域嶄露頭角。多功能電子器件或系統大多是三維立體結構，其組成單元由各種金屬或非金屬電子材料構筑而成。傳統的3D打印主要基于尼龍玻纖、耐用性尼龍一類的材料，由此打印出的物件一般并不具備電子功能。因此3D打印手段直接打印出立體終端電子產品，一直是學術界和工業界無法解決的難題。
近年來，隨著液態金屬印刷電子學的發展，以低熔點金屬鎵為基礎的室溫液態金屬合金材料逐漸進入人們視野，在柔性電子、智能機器等領域得到廣泛研究和應用。夢之墨技術團隊長期從事液態金屬相關研究，在基于液態金屬功能性復合材料的裝備方面有豐厚的積累。通過對液態金屬功能材料進行改造，并結合增材制造技術，夢之墨團隊開發出一種基于液態金屬功能性復合材料的快速電路印刷技術，并利用此技術研發生產的桌面電子電路打印機已實現產業化。
看到3D打印電子設備存在的局限性，劉靜教授帶領的技術團隊隱約意識到，在立體電子制造領域，液態金屬有可能發揮其獨特的作用。
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