3D 打印零件的仿真软件：如何选择

机加工的 6061-T6 支架接近各向同性。沿任意方向拉伸，模量大致相同。熔融沉积或粉末床零件则不是。相邻走线或熔道之间的结合弱于本体丝材，因此零件沿熔道方向承载优于垂直方向。任何把网格当作均质块的仿真都会高估刚度，有时高估 20% 到 40%。

这是通用 FEA 在增材零件上给出错误结果的最大原因。求解器不知道喷嘴的行走方向。你必须告诉它，可以按区域赋予正交各向异性材料属性，也可以从切片软件导入实际刀路作为纤维取向图。

粉末床熔融的差距较小。激光粉末床 Ti-6Al-4V 在去应力退火后接近各向同性，因为每层都会重熔下一层。熔融沉积和粘结剂喷射仍保持强方向性。选材料卡之前，先确认你在仿真哪种工艺。

• 1
  熔融沉积强正交各向异性；熔道方向决定弱轴。
• 2
  粉末床熔融去应力后接近各向同性，但仍有残余应力。
• 3
  粘结剂喷射多孔且依赖方向；密度决定强度。

没有哪个软件包能在所有问题上胜出。正确选择取决于你需要知道什么。要承受 5,000 次循环的卡扣盖需要疲劳数据和非线性求解器。要通过流量测试的歧管需要 CFD，而不是结构 FEA。为所有问题买一个许可证，通常意味着两件事都做不好。

通用结构求解器在提供正交各向异性属性后，可处理打印零件的线性静力和模态分析。它们成熟、文档完善，许多工程师已有席位。局限在材料模型：多数不附带打印机专用材料卡，你需要用拉伸试验自行建立。

增材专用工具直接接受切片输出，并把熔道取向映射到网格上。这省去数小时的手动属性赋值，并能捕捉孔和拐角处的方向变化。代价是材料库较窄，对接触和非线性设置的控制较少。

工艺仿真是第三类。它预测成形过程中的变形、残余应力和支撑失效。这与零件使用中的性能是不同的问题。当问题是翘曲或开裂时用它，而不是需要知道支架会不会弯曲时。

• 1
  结构 FEA刚度、应力、模态、疲劳。需要正交各向异性输入数据。
• 2
  增材感知工具导入刀路并自动映射各向异性。
• 3
  工艺仿真预测成形过程中的翘曲、残余应力和支撑失效。
• 4
  CFD打印实际能做出的流道内的流动与热分析。

垃圾进垃圾出在这里比金属加工更严重。首次运行前需要三样东西：实测的正交各向异性模量、细到能解析薄壁的网格，以及与零件实际装夹方式一致的边界条件。

测量模量。用与零件相同的取向、层高和填充打印拉伸试样。沿熔道和垂直熔道测试。两个数 E1 和 E2，加上剪切模量和泊松比，足以建立正交各向异性材料卡。原料塑料的目录值会偏硬。

薄壁网格要细。1.2 mm 壁厚配 0.2 mm 层高是六道熔道。如果单元尺寸是 1 mm，厚度方向只有一个单元，弯曲刚度会出错。细化到最薄承载壁至少有三个单元。

边界条件要匹配工装夹具。四点螺栓固定的零件和台钳夹持的零件受力不同。按正确直径建模螺栓孔并施加接触，而不是在整个面上涂固定约束。多数过于乐观的结果都来自这里。

• 1
  试样取向匹配真实零件的打印取向，而不是平放试样。
• 2
  单元尺寸最薄承载壁至少三个单元。
• 3
  接触建模螺栓和夹具；避免涂固定约束。

不是每个零件都需要求解器。没有载荷路径的外观壳体不需要。明显超设计五倍的支架不需要。对它们跑 FEA 会烧掉一天，本可用于下一个设计。

当失效模式不是机械问题时，跳过模型。打印不良导致的分层、喷嘴堵塞或中途断裂的支撑都是工艺问题。结构 FEA 看不到它们。修正打印设置或改跑工艺仿真。

材料数据不存在时就跳过。如果没有人测试过你所用层高下的特定树脂，基于目录值做的仿真只是带等值线图的猜测。改为打印并测试试样。物理测试更快也更诚实。

当几何形状复杂、载荷路径不明显，或测试失败代价很高时，使用仿真。这些情况下装夹时间能收回成本。其他情况，直接做出来并压坏它。

• 1
  值得仿真复杂载荷路径、重量关键零件、代价高昂的测试失败。
• 2
  跳过仿真外观件、过度设计的支架、工艺驱动的失效。