在航空航天、汽車工業、能源工業等領域，3D打印薄壁結構逐漸有了較為廣泛的應用。航天航空領域的噴氣發動機殼體、渦輪泵排氣出口，和燃氣輪機儀表等，這些零件不僅需要滿足輕量化、材料高效利用和設計自由度高的需求，還要承受極端的工作條件。汽車工業領域的散熱器、熱交換、外殼和進氣歧管等部件，也需要通過增材制造技術來提高機械性能，降低成本和交付時間。

圖1 薄壁零件 (來源：www.zintilon.com）

盡管3D打印技術具有諸多優勢，仍面臨著挑戰。譬如航空航天的鋁合金薄壁零件，除了對材料和性能的選擇——即優異的力學性能和抗腐蝕性能——有著較高的要求，其制造工藝和重量控制也是一個難點。它需要通過不斷的實踐和研究來解決其輕量化和變形問題。

薄壁屈曲變形問題

在金屬3D打印的實際過程中，薄壁結構的屈曲變形問題普遍存在。由于受熱不均、結構本身剛度不足等因素，薄壁零件在打印過程中極易發生較大的翹曲或失穩變形，直接影響成品的精度與質量，甚至導致打印失敗。

一般來說，仿真軟件是解決這一問題的最佳選擇。VoxelDance Engineering (VDE)仿真軟件提供了針對薄壁結構在打印過程中的應力場與變形場的仿真功能。在屈曲變形預測方面，VDE基于增材制造熱力耦合分析流程，可以準確捕捉打印過程中的失穩趨勢與臨界變形部位。

我們選取了一個0.5mm厚的薄壁零件進行了測試。初步仿真后發現，該零件存在明顯屈曲風險，變形在自身厚度的3倍以上，嚴重影響交付質量。

圖2 VDE對壁厚為0.5mm的薄壁進行仿真 （左）及其打印結果（右）

如何解決薄壁屈曲變形？

一般來說，工程師是通過經驗加支撐去控制薄壁的屈曲變形。如果支撐較多，那么打印的成本就會上升，后處理也會比較麻煩。而對于傾斜角過大甚至完全垂直的薄壁結構，添加支撐是比較困難的。

在這種情況下，BCC晶格結構填充可以有效解決薄壁屈曲變形，它還可以充當薄壁結構的一部分，來加強薄壁結構的物理性能。BCC結構是一種常用于增材制造中的輕量化填充方案，具有高比剛度、控形、以及良好的散熱性。

我們對原始模型進行了BCC結構填充，然后用VDE仿真軟件進行仿真。通過仿真結果，我們能夠直觀看到BCC對屈曲抑制效果的提升。VDE仿真軟件可以細化網格進行精確仿真，從而準確預測薄壁零件中加入BCC晶格結構的打印過程。

圖3 VDD添加BCC晶格填充（左）及其仿真結果（右）

圖4 打印實物

3D打印薄壁結構的制造過程中，屈曲變形是影響成品質量的關鍵挑戰之一。通過VoxelDance Engineering (VDE) 仿真軟件的精準預測與優化，工程師能夠高效識別變形風險，并借助BCC晶格填充等創新方案提升結構穩定性，從而在保證輕量化的同時，實現更高的打印成功率。

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