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EDEM：解決3D積層製造 - 鋪粉製程挑戰的關鍵解決方案

Jan.20,2026

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前言
鋪粉製程的複雜性與挑戰
- 粉末行為不穩定
- 設備設計的明顯影響
- 粉末複雜的特性
- 量產困難
解決方案：離散元素法 (DEM) 與 Altair® EDEM™
分析結果：精準模擬的關鍵步驟與應用
結論

前言

在積層製造 (Additive Manufacturing, AM) 中，粉末鋪設的均勻度與品質直接決定成品性能與良率。
如果只依賴實體的試驗、調參，不但成本與時間較高，也很難觀察微米級粉末的實際行為。
因此，以「數值」模擬預測與優化鋪粉製程，已成為主流做法。

鋪粉製程的複雜性與挑戰

鋪粉過程是一典型『粉體系統問題』，牽涉粉末、設備與放大效應等多面向挑戰

粉末行為不穩定

需抑制「結塊、偏析與分離」，確保鋪層連續與平整。

設備設計的明顯影響

刮刀、滾輪形式、幾何的設計，都可能直接影響左右鋪粉的均勻度。

粉末複雜的特性

粉末多為微米級、不規則顆粒，且受含水率、周圍介質等影響，形成複雜的顆粒力學系統。

量產困難

如何將實驗室的結果可靠地放大到工業規模，是 AM 落地的關鍵門檻。

解決方案：離散元素法 (DEM) 與 EDEM

離散元素法能從【單一顆粒出發】，計算顆粒與顆粒間、設備間接觸的行為，進而得到粉床的整體行為與反應，是研究鋪粉機制與製程優化的理想工具。

Altair® EDEM™ 為專業 DEM 軟體，提供完整分析流程：

前處理

定義顆粒幾何與尺寸分佈、材料性質，以及設備與接觸模型。

求解器

■ 參數設定：
自定義模擬時間與時間步長。
■ 彈性調度：
靈活分配 CPU／GPU 運算資源。
■ 精度切換：
單精度、雙精度與混合精度切換，在精度與效率間取得平衡。

後處理

■ 視覺化呈現：
透過動畫與圖表，展示模擬結果。

■ 深層物理分析：
1. 力鏈分佈：
觀察顆粒間的受力路徑，理解粉末堆積的穩定性。
2. 分區統計：
針對特定區域進行數據擷取，提升分析細緻度。

關鍵品質指標量化

1. 質量分佈
2. 堆積密度
3. 孔隙率

高效能運算

EDEM 支援 GPU 加速能有效處理大規模與高複雜度的模型，縮短分析時程。

分析結果：精準模擬的關鍵步驟與應用

要讓模擬工程具有參考價值，「粗粒化模型」與「材料參數校準」是兩大關鍵。
分析結果：實現精準模擬的關鍵步驟與應用

1粗粒化模型 (Coarse-Graining)

為了避免電腦跑不動，我們不直接模擬每一顆微小的粉末，而是用較大的『等效顆粒』來代替。透過精準的模型校準，這些大顆粒依然能模擬出真實粉末的堆積與流動感。這不僅節省了大量的運算時間，也讓我們能順利模擬整個鋪粉設備的運作。

2
材料參數校準 (Calibration)

模擬準確性需仰賴材料參數，工程師須先判斷粉末在實際製程中的主導流動狀態。例如：準靜態、自由流動、臨界固結或高速壓縮…等等，再選擇對應的實驗：
• 低應力自由流動：採用安息角 (Angle of Repose) 實驗。
• 臨界固結與剪切行為：採用剪切盒 (Shear Cell) 實驗。
• 高速動態混合與流變特性：採用流變儀 (Rheometer) 實驗。

EDEM 內建上述的『標準化虛擬實驗模型』與『粉末材料庫』，可作為參數初始值，大幅減少實驗與校準時間。

完成建模與校準後，即可模擬不同刮刀／滾輪幾何、轉速與行進速度下的鋪粉過程。分析結果能夠比較粉床的質量分佈、堆積密度、孔隙率與均勻性，並透過『力鏈分佈』找出可能造成局部高壓實的區域，協助調整設備設計與製程條件；同時也可以比較不同流動性粉末的鋪展差異，作為材料選擇與參數優化依據。

結論

EDEM 針對積層製造鋪粉製程，提供一套『完整且以實務為導向』的模擬方案，核心價值包括：

從微觀顆粒行為出發，理解宏觀力學的機制，並支援設備與製程參數的優化。
透過系統性的粗粒化與材料校準流程，確保模擬結果具備高度可信度與工程實用性。
以多元後處理工具量化粉床均勻度、密實度與孔隙率等關鍵指標。
可將模擬完成的粉床輸出為精細微觀結構 (STL 檔)，作為後續熱傳導、雷射熔融與固化後結構分析的初始條件，實現從鋪粉製程到最終零件性能「從起點到終點」的耦合模擬過程。

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