在金属3D打印中，支撑结构是确保打印稳定性、避免翘曲崩塌的关键部分，同时也是平衡内应力、传导热量的重要因素。因此，如何对支撑的可靠性进行评估成为金属3D打印领域中的重要问题。

打印零件时，支撑结构往往充满孔隙，并且具有极其精细的几何结构。因为一般零件所采用的网格精度难以对支撑结构的几何特征进行精准刻画，支撑部分往往会被刻画成密实结构参与仿真。这导致了在原有的材料参数下，支撑结构的刚度以及强度被显著放大，影响仿真结果的准确性。(见图1，支撑结构失效）因此，为提高支撑结构的仿真精度，漫格科技在将其等效为均匀结构的前提下，赋予它与等效均匀结构相匹配的材料参数。

图1 支撑结构失效（来源：Metal AM VOL 3. No1., 2017）

支撑打印参数自定义，提升仿真精度

VoxelDance Engineering (VDE) 软件提供了“用户自定义添加材料”功能，并且在材料库中添加了各种常用材料下，实体支撑与非实体支撑对应的均匀化等效材料参数以供选择。使得支撑部分的材料参数可调，提升了仿真精度，并显著降低打印失败的风险。

VDE是由漫格科技自主研发的一款仿真软件，它能够对增材制造过程进行全流程工艺仿真和分析，帮助工程师在实际打印之前预测和规避潜在的问题。软件的求解算法利用GPU并行加速，相对于传统的有限元求解算法，提速了5-10倍。

VDE用户自定义支撑打印参数

本案例将通过一个封闭叶轮模型，展示在默认支撑材料设置下的仿真结果（未能预测打印失败结果），与自定义添加材料后的仿真结果对比（成功预测打印失败结果），并优化支撑方案后成功避免打印失败的全过程。

图2 非实体支撑封闭叶轮模型及底部支撑

1. 支撑结构选择零件实体打印参数进行仿真

案例中的零件与支撑的组合体模型如图2所示，其底部所采用的支撑为非实体支撑。仿真时，支撑区域采用的材料参数与零件区域相同，均为316L材料参数，见图3。

图3 默认材料选择

在实际打印的过程中，发现中间某位置处的翘曲变形过大，如图4所示，导致了打印失败。

图4 打印过程中的翘曲变形

仿真结果中，将零件Z方向的最大翘曲位移量设置为打印单层厚度0.05mm，图5所示的位置处并未呈现较大的翘曲变形。这是因为将支撑结构视为均匀密实结构，且材料参数与零件材料相同，导致仿真中支撑的刚度显著大于其实际的刚度，因此预测出的翘曲变形较实际打印偏小。

图5 原始仿真结果

2. 支撑结构自定义打印参数仿真

在不改变支撑模型的情况下，通过调整支撑结构打印参数使其刚度恢复到合理的范围内。为此，将支撑结构等效为均匀结构，求得其在不同材料下的等效均匀化材料参数。在仿真软件中将该材料参数添加到支撑模型上，将支撑分为实体支撑和非实体支撑这两种结构模型，分别求得其均匀化材料参数并添加到材料库，以供用户在自定义模式下对不同的零件和支撑分别进行材料选择。

在本案例中，零件所添加的支撑为非实体支撑。因此采用“用户自定义”方式，为支撑模型添加316L材料所对应的非实体支撑材料参数，如图6所示。再次对打印过程进行仿真。