增材制造仿真：一份關(guān)于最佳部件擺放和支撐設(shè)置的指南

增材制造最大的優(yōu)勢(shì)之一是實(shí)現(xiàn)部件的完全定制化。這項(xiàng)技術(shù)非常適合用于在諸如頜面外科等的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生產(chǎn)為患者定制化設(shè)計(jì)的植入體。這樣的植入體具有最佳的尺寸、形狀和機(jī)械性能。

定制化顱頜面植入體

3D打印顱頜面植入體的挑戰(zhàn)
生產(chǎn)顱頜面植入體的過程充滿挑戰(zhàn)。如果不進(jìn)行熱處理，植入體在某些打印設(shè)置下會(huì)由于殘余應(yīng)力的影響，發(fā)生“回彈效應(yīng)”。這種“回彈效應(yīng)”會(huì)造成部件產(chǎn)生嚴(yán)重的形變，從而使植入體無法適配患者?；貜椥?yīng)影響的大小取決于部件的擺放方式和支撐設(shè)置。然而，找到合適的設(shè)置是非常復(fù)雜且耗時(shí)的。

回彈效應(yīng)

在這個(gè)案例中，我們研究了患者定制化顱頜面植入體的不同支撐設(shè)置方式，并確定了哪種設(shè)置方式產(chǎn)生的回彈效應(yīng)最小，因而也最合適3D打印。我們通過精確校準(zhǔn)的固有應(yīng)變方法來確定去除支撐后部件的最終形變。我們還通過與打印完成的部件進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)了仿真結(jié)果。

三分鐘內(nèi)對(duì)整個(gè)平臺(tái)進(jìn)行仿真
正如我們?cè)谥暗姆抡嫱扑椭薪忉尩?，仿真是一種盡可能降低打印失敗率的強(qiáng)大工具。它為重要區(qū)域的擺放和支撐提供了有價(jià)值的反饋。讓我們看看仿真流程吧：
1、獲得部件和支撐設(shè)置的形狀
2、對(duì)部件進(jìn)行體素化，并考慮支撐結(jié)構(gòu)的邊界條件
3、通過固有應(yīng)變法逐層進(jìn)行打印仿真
4、將體素仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)到部原始件

展示步驟2：3種不同部件擺放的體素化

我們決定專注于仿真速度，因此部件體素精度相對(duì)較低。我們的目標(biāo)不是對(duì)每種設(shè)置的確切形變進(jìn)行仿真，而是要定性地確定哪種設(shè)置的形變最小。只需3分鐘，我們就對(duì)整個(gè)體素平臺(tái)進(jìn)行了仿真。

評(píng)估結(jié)果

移除支撐結(jié)構(gòu)后的形變仿真

我們使用Magics仿真模塊進(jìn)行仿真并查看結(jié)果。選擇性加載Magics中最相關(guān)的仿真數(shù)據(jù)的功能進(jìn)一步改善了尋找最佳擺放角度的工作流。以下圖片展示了三種不同的部件支撐設(shè)置和去除支撐結(jié)構(gòu)后的顱頜面植入體形變的仿真結(jié)果。如您所見，中間那張圖的部件支撐設(shè)置變形最小，它沒有包含任何紅色或黃色區(qū)域。

為了進(jìn)一步確認(rèn)仿真結(jié)果，我們將仿真結(jié)果、打印完成的部件和原始設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比。如下圖，仿真和打印結(jié)果具有相同的誤差。上圖的設(shè)置與原始設(shè)計(jì)的誤差最大，中圖的誤差最小。

仿真結(jié)果、打印完成的部件和原始設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比

尋找最小形變
在這個(gè)案例中，我們用有限元仿真快速預(yù)測(cè)患者定制化顱頜面植入體在三種不同部件支撐設(shè)置情況下的整體形變情況。低精度的體素方法讓仿真速度更快，以提供對(duì)每種設(shè)置的定性形變趨勢(shì)的快速反饋。實(shí)物打印證實(shí)了在本研究的三個(gè)設(shè)置方案中，去除支撐后中間的方案形變最小。

因此，這個(gè)仿真案例也證實(shí)了仿真的強(qiáng)大預(yù)測(cè)能力對(duì)增材制造工程師是非常有價(jià)值的工具。通過使用Magics 仿真模塊，我們可以在生產(chǎn)前對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，快速找到最優(yōu)的部件擺放和支撐設(shè)置。Materialise正借助近30年的增材制造經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)增材制造專業(yè)仿真功能，讓我們的增材制造流程更加便捷。

仿真軟件試用
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