设计仿真 | AM STUDIO 增材制造数据准备解决方案

引  言

增材制造数据准备是指零件从三维数字模型到实际打印前的一系列工艺设计。相较于机械加工这一减材制造技术，增材制造的数据准备不仅需要确定零件在平台的定位以及路径规划，还需要创建打印平台、设计支撑、多件排版、切片填充，必要时，还会对成形过程进行仿真。

增材制造数据准备主要内容

增材制造数据准备方案
AM STUDIO

海克斯康增材制造数据准备解决方案AM STUDIO适用于激光选区熔化技术，它按照激光选区熔化技术的实际工艺设计流程，将数据准备过程分解为开始、定向、支撑、排版、加工处理、查看器这6个步骤进行，用户沿着该流程从第一步走到第六步，便能够完成一个项目的数据准备工作。

海克斯康增材制造数据准备的工艺流程

打印平台搭建
AM STUDIO

增材制造数据准备是跟设备有很强关联的材料加工工艺，设备的成形舱空间决定了可加工零件的最大尺寸及数量，激光数量会影响成形效率。在“开始”步骤，AM STUDIO需要用户选择或自定义所使用的打印机型号。AM STUDIO系统内集成了数家设备商的部分型号设备，可以直接选择应用，未集成的设备支持用户自定义。

AM STUDIO自定义设备参数设置

零件定向功能
AM STUDIO

打印平台确定后，自动跳转至第2步—“定向”，此时可导入一个或多个stl格式零件，并完成零件在基板上的定向。由于无支撑或少支撑技术的应用普及程度低，通常零件上与水平面夹角＜45°的“悬空特征”均需要添加支撑辅助成形，合理的摆放应尽量减少悬空特征，从而减少支撑量，以节省材料和后处理成本。

无支撑与少支撑技术

打印效率也是定向需要考虑的因素之一，对于一个长方体，不管横竖摆放，由于体积不变，激光实际扫描的时间都一样，不同之处在于因层数导致的铺粉时间差异，从而导致两个定向方案的加工效率不同，一般情况下，层数越少，打印越快。

零件在XY平面的横截面积越大且越厚，层内以及层间的应力越集中，零件发生变形、翘曲、开裂的风险也随之加大，因此定向也需考虑零件的变形情况，尽管可以通过后序的强化支撑、变形补偿等工艺预防（可借助于Simufact Additive铺粉增材工艺仿真软件虚拟验证支撑方案以及变形补偿自动优化解决变形问题），但是前期的合理定向也是很重要的防变形措施。

对于批量零件打印，为了在一次打印任务中成形更多零件，就会关注单个零件在基板的投影面积，投影面积越小，一次就能摆放更多的零件，从而降低单件成本。

除了以上4点，定向时也需考虑打印件的表面质量。由于增材制造具有逐层堆叠加工原理，数据准备阶段需将3维模型通过切片转化为2维片层数据，而层间距不是无限小的，因此层间会因切片厚度导致部分细节缺失，对于竖直结构特征，这种缺失还不太明显，但对于倾斜打印的结构，台阶效应就比较凸显，从而造成较差的表面质量。

AM STUDIO通过定向图功能，综合考虑以上5个因素，能够方便快捷地实现零件的最优定向。除此之外，也可以通过面朝下，手动平移与手动旋转等命令进行手动定向。

AM STUDIO案例—定向图

支撑设计功能
AM STUDIO

零件在基板上的定向完成后，进入第3步—“支撑”，AM STUDIO中生成支撑的过程是比较智能的。首先，按照定向方案及悬垂角度，软件可以判断并标记出零件上的所有的支撑区域，并且将各个支撑区域以表格形式罗列，支撑区域按类型可以分为悬垂面和悬垂线。

AM STUDIO支撑界面及支撑区域列表

工艺人员也可以通过经验对支撑区域进行编辑，下表是AM STUDIO可以执行的操作。

AM STUDIO有5种支撑类型：

1）杆支撑，有7种截面形状，适合自由曲面；

2）块支撑，适合距离基板较近的悬垂面；

3）自适应胞元支撑，适合距离基板较远的悬垂面；

4）线支撑，适合悬垂线；

5）树支撑，适合自由曲面。

从左到右依次为：杆支撑、块支撑、自适应胞元支撑、线支撑、树支撑

以上类型支撑，除了杆支撑有两种是实体，其余都是片体。AM STUDIO的片体支撑结构不仅具有节材和省时的优势，而且几何稳定性好。

杆支撑的7种形态

AM STUDIO案例—创建支撑

排版打印功能
AM STUDIO

AM STUDIO在第4步—“排版”的类型有手动排版和自动排版两种，手动排版仅限于单个零件排版，需设置X向和Y向的零件数量和间距；自动排版应用更广泛，可以用于多种零件的排版，仅需输入各零件数量，算法将调整零件Z向角度，按照最大满版率排版，对于因零件数量过多而超出基板的情况，软件会报错提示。

AM STUDIO手动排版

成形仿真功能
AM STUDIO

由于增材制造过程中热应力较大，打印件会发生不同程度变形，造成零件尺寸超差，一般采用的控形方法有：1）通过变形仿真，得知变形区域，对其添加或强化支撑，加强约束；2）通过变形仿真，对变形区域进行补偿优化；3）优化扫描策略，降低易变形区域的热输入。AM STUDIO内嵌了Simufact Additive的成形仿真功能，能够预测打印变形风险并做反变形补偿。具体流程是：校核—网格划分—成形仿真—变形补偿。

AM STUDIO案例—网格划分

AM STUDIO案例—成形仿真

切片填充功能
AM STUDIO

获得变形补偿模型后，可以进行切片与填充，目前各品牌打印设备所能读取的打印文件数据格式各不相同。大部分厂商有自定义的数据格式，如SLM Solution的数据格式为.slm，Eplus 3D的数据格式为.epi；也有一些设备商与数据准备软件合作，其设备支持的打印文件格式与软件的导出格式一致，如.job/.vbf等；另有个别厂商的设备内部集成填充软件，仅需导入.cli/.slc等切片文件，再由设备端完成路径规划。

AM STUDIO具有切片和切片填充两种加工策略。切片格式为.cli，填充格式与第一步选择的设备相关，若选择的是软件内集成的厂商设备，则生成的打印文件数据格式为厂商自定义的格式，这些打印文件不需解析即可上机打印；若选择的是自定义设备，则生成的打印文件为AM STUDIO开发的.clix格式，其为压缩文件，解压后为两个.cli文件和一个.clip文件，.cli文件分别是零件（有可能包含实体支撑）和（片体）支撑的路径规划文件，.clip文件为激光参数文件。

.clix格式需设备商完成解析，才能被设备读取和识别。目前有数家设备商已完成.clix格式的解析，这样不仅搭建了软件与打印设备之间的桥梁，能够实现数据准备的一站式解决，也极大增加了用户搭建打印平台的自由度。

路径预览功能
AM STUDIO

AM STUDIO生成的路径可以在第6步“查看器”中预览。在这里可以逐层预览当前层的扫描路径，不同类型扫描线以不同颜色矢量线条显示。

AM STUDIO案例—路径预览

（海克斯康工业软件）

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