本案例用Simufact Additive模擬3D列印金屬引擎絞鍊，預測複雜的製程變形並做幾何補償，大幅減少達到高品質製造的時間。
這篇文章原文為EDAG Engineering,voestalpine Additive Manufacturing Center的實際案例
你知道車輛引擎蓋絞鍊(關節)的設計嗎?也能用積層製造(也就是通俗用語:3D列印)來製造。而且，能夠同時達到以下幾項目的: 1)成品重量減輕、2)內建行人保護功能，以及3)針對小批量生產。不需要模具就能製造。而且，這樣做出來的零件，幾乎不需要後續加工。
「LightHinge+」這個創新專案，由EDAG Engineering、voestalpine積層製造中心以及Simufact Engineering(所屬Hexagon的公司)三家公司攜手合作，共同開發了一款全新的引擎蓋鉸鏈。專案團隊充分利用積層製造技術的優勢，重新思考該零件的設計，對其進行重構，最終以積層製造的方式完成生產。結果顯示，這款全新的鉸鏈相較於原本的零件，重量減輕了50%，同時還具備內建的行人保護功能，並將這些功能整合在單一零件中。此外，製造這款新型引擎蓋鉸鏈所需的零件數量更少，裝配步驟也大幅簡化。
這個設計是透過拓撲優化來完成的，最終形成了一個仿生物的極細緻且輕量化的結構。這樣的零件只有透過3D列印技術才能合理生產。
遇到的挑戰
- 建立「合適」的支撐結構，也就是如何能設計最佳的幾何形狀和支撐數量。支撐結構是為了防止零件在製造過程中崩塌，導致生產過程中斷。然而，我們的目標總是盡量減少支撐結構的使用，因為這些支撐結構所需的材料會讓製造過程變得長、變昂貴，要移除支撐的也是繁瑣的事。
- 減少因製造過程中高熱輸入和快速加熱冷卻，所造成的變形和殘餘應力。比如說，一個變形的鉸鏈可能會偏離目標幾何形狀1~2毫米。要在允許的公差範圍內製造出正確幾何形狀的零件，相當困難，通常需要在工廠中進行大量耗時又昂貴的試驗。透過取代或大幅度減少目前的實體試錯過程，且採用全面模擬方法，工程師將能更有效地解決這些問題。
積層製造(3D列印)模擬流程
製程模擬有機會能解決支撐的結構問題以及變形問題。在LightHinge+專案中，虛擬工程的重點主要放在解決變形問題，同時也成功地大幅減少所需的支撐結構。
透過使用 Simufact Additive，可以模擬整個3D列印的流程。這個流程從設計階段開始，接著進行基礎模型的準備，包括定義支撐結構，以及為機器生成建構數據。接著，模型數據被導入 Simufact Additive 模擬工具，進行虛擬的建構過程。
這個流程還可以包含熱處理程序，甚至針對航太零件進行 HIP（Hear Isostatic Pressure , 熱等靜壓）處理。此外，也需要考慮支撐結構以及基板的行為。我們將零件從基板上取下，並且移除支撐結構的過程也同樣重要，因為這個過程可能影響變形行為。
在 LightHinge+ 項目中，使用了一種基於內建應變法(inherent strain method)的宏觀模擬方法，來進行變形模擬。這項技術的優勢在於模擬時間短：即使是非常複雜的零件建構過程，也能在幾個小時內完成模擬。另一個好處是，該技術能以少量參數簡單且高效率地描述建構過程的物理特性，這些參數可以透過懸臂測試（一種在同一台3D列印機器上列印的小型試件）來輕鬆檢驗。
「內建應變法」是一種用於模擬3D列印過程中材料變形的有效方法。它基於材料在製造過程中累積的內部應變，透過簡化的數值模型來預測零件在冷卻或後續處理過程中的變形行為。
儘管這是一種簡化的方法，但模擬出的變形結果與實際情況非常吻合，並能提供有價值的建議來優化3D列印的流程。
我們要列印出的零件，其有限元素模型建立相當的容易。這是一種所謂的體積像素網格（voxel-mesh），由規則的六面體元素組成，完全包含了零件和支撐結構，並以逐層的方式生成。雖然這種方法看起來只能粗略地呈現實際結構，但透過Simufact採用的特殊技術，可以更真實地考量零件的幾何形狀。
模擬專案的起始階段會使用非常粗略的體積像素網格，模擬可以在一小時內完成。這種方式的目的是用來了解製造過程中結構變形的情況。先在模擬速度與結果品質之間找到平衡。之後，建立更細緻的體積像素網格模型，做幾次模擬，最終能精準呈現列印結構的實際變形情況。
變形補償
Simufact Additive 的一項特殊功能是主動進行變形補償。由於3D列印是一種無模具的製造技術，因此不需要重新加工或重新設計工具來補償零件的變形，只需要修改用於列印機的CAD幾何檔案（包括零件和支撐結構）。Simufact Additive 提供了一項補償功能，能夠調整列印過程中的目標幾何形狀。
在列印完成後，經過最終冷卻以及移除基板和支撐結構後，總體的變形量通常與初始情況相似，但所幸變形的方向會更接近所需的CAD幾何形狀。這個補償過程可以多次迭代進行，直到達到所需的品質標準為止。
在 LightHinge+ 專案中，補償過程在第一次模擬迴圈後就成功完成。經補償後的CAD幾何形狀被用於列印優化過的零件，變形問題顯著減少。
結論
EDAG Engineering、voestalpine積層製造中心以及Simufact Engineering是實現新型創新引擎蓋鉸鏈願景的最佳合作夥伴。LightHinge+突破了傳統設計，摒棄了由多個零件組成、重量繁重且複雜的運動機構，透過仿生結構結合3D列印的斷裂結構，實現了運動機構的額外自由度。
斷裂結構與超輕量化的3D列印運動機構相互作用，結合引爆裝置觸發的元件，在發生碰撞時能抬升引擎蓋鉸鏈區域，以保護行人安全。這項全新概念相較於原始零件，重量減輕了50%。
此結構的開發得以成功，主要歸功於全面運用虛擬工程技術，模擬整個製造過程。透過補償變形的方式，最終能依照所需的品質標準完成零件的製造。
原文內容: LightHinge+ -An innovation project of EDAG engineering, voestalpine Additive Manufacturing Center and Simufact.