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增材制造（AM）虽提供了无与伦比的设计自由度，但其“逐层堆积”的制造特性引入了独特的挑战：变形、开裂、残余应力、支撑结构难去除等。过程仿真技术，正是将“设计即打印”愿景变为现实的“虚拟试错”与“工艺优化”引擎。
仿真的核心目标与层次
部件尺度：变形与应力预测
原理：基于热-机耦合分析。仿真模拟热源（激光、电子束）移动带来的瞬态温度场，以及随之产生的热膨胀、相变和冷却收缩。材料在约束下产生塑性变形，形成残余应力和最终变形。
输出：预测打印完成后零件的形状偏差（需进行补偿设计）和残余应力分布（指导热处理或判断开裂风险）。
微观尺度：微观组织与性能预测
原理：模拟熔池动态、凝固过程（冷却速率、温度梯度）、晶粒生长方向（外延生长）。
输出：预测零件的晶粒结构、各向异性、孔隙率，从而关联到最终的力学性能（如疲劳强度、韧性）。
支撑与打印策略优化
原理：仿真可以帮助自动生成最优支撑结构，在防止坍塌和减少材料消耗/后处理难度间取得平衡。同时，可以优化扫描路径和打印顺序，以最小化热累积和变形。
关键技术流程
赋予材料属性：定义随温度变化的材料热物理属性（热导率、比热容）和力学属性（弹性模量、屈服强度、热膨胀系数）。
定义工艺参数：输入激光功率、扫描速度、层厚、扫描策略（棋盘格、条纹）等。
应用高效算法：由于计算量巨大，常采用自适应网格、固有应变法（一种简化的、基于经验的快速预测方法）或多尺度模型来平衡精度与效率。
结果驱动设计优化：
几何补偿：根据预测的变形场，对原始CAD模型进行反向预变形。
工艺优化：迭代调整扫描路径、支撑布局、预热温度等参数，直至仿真结果满足要求。
商业软件与价值
市场上已有专业的AM仿真工具（如ANSYS Additive Print、3DEXPERIENCE AM、Simufact Additive）。它们允许工程师：
在打印前预测并补偿变形，避免昂贵的试错和材料浪费。
优化支撑结构，节省材料并缩短后处理时间。
评估不同摆放方向对变形、支撑和性能的影响。
制定科学的工艺参数包，确保打印质量的可重复性。
结论：增材制造仿真将工艺从“经验驱动”转向“预测驱动”。它不仅是解决打印失败问题的“诊断工具”，更是实现“首次即正确”打印、释放AM全部设计潜能的“使能技术”。通过虚拟世界对物理过程的深刻洞察，我们得以真正驾驭这场制造革命。