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在航空航天、汽车工业、能源工业等领域，3D打印薄壁结构逐渐有了较为广泛的应用。航天航空领域的喷气发动机壳体、涡轮泵排气出口，和燃气轮机仪表等，这些零件不仅需要满足轻量化、材料高效利用和设计自由度高的需求，还要承受极端的工作条件。汽车工业领域的散热器、热交换、外壳和进气歧管等部件，也需要通过增材制造技术来提高机械性能，降低成本和交付时间。
图1 薄壁零件 (来源：www.zintilon.com）
尽管3D打印技术具有诸多优势，仍面临着挑战。譬如航空航天的铝合金薄壁零件，除了对材料和性能的选择——即优异的力学性能和抗腐蚀性能——有着较高的要求，其制造工艺和重量控制也是一个难点。它需要通过不断的实践和研究来解决其轻量化和变形问题。
薄壁屈曲变形问题
在金属3D打印的实际过程中，薄壁结构的屈曲变形问题普遍存在。由于受热不均、结构本身刚度不足等因素，薄壁零件在打印过程中极易发生较大的翘曲或失稳变形，直接影响成品的精度与质量，甚至导致打印失败。
一般来说，仿真软件是解决这一问题的最佳选择。VoxelDance Engineering (VDE)仿真软件提供了针对薄壁结构在打印过程中的应力场与变形场的仿真功能。在屈曲变形预测方面，VDE基于增材制造热力耦合分析流程，可以准确捕捉打印过程中的失稳趋势与临界变形部位。
我们选取了一个0.5mm厚的薄壁零件进行了测试。初步仿真后发现，该零件存在明显屈曲风险，变形在自身厚度的3倍以上，严重影响交付质量。
图2 VDE对壁厚为0.5mm的薄壁进行仿真 （左）及其打印结果（右）
如何解决薄壁屈曲变形？
一般来说，工程师是通过经验加支撑去控制薄壁的屈曲变形。如果支撑较多，那么打印的成本就会上升，后处理也会比较麻烦。而对于倾斜角过大甚至完全垂直的薄壁结构，添加支撑是比较困难的。
在这种情况下，BCC晶格结构填充可以有效解决薄壁屈曲变形，它还可以充当薄壁结构的一部分，来加强薄壁结构的物理性能。BCC结构是一种常用于增材制造中的轻量化填充方案，具有高比刚度、控形、以及良好的散热性。
我们对原始模型进行了BCC结构填充，然后用VDE仿真软件进行仿真。通过仿真结果，我们能够直观看到BCC对屈曲抑制效果的提升。VDE仿真软件可以细化网格进行精确仿真，从而准确预测薄壁零件中加入BCC晶格结构的打印过程。
图3 VDD添加BCC晶格填充（左）及其仿真结果（右）
图4 打印实物
3D打印薄壁结构的制造过程中，屈曲变形是影响成品质量的关键挑战之一。通过VoxelDance Engineering (VDE) 仿真软件的精准预测与优化，工程师能够高效识别变形风险，并借助BCC晶格填充等创新方案提升结构稳定性，从而在保证轻量化的同时，实现更高的打印成功率。
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