以增材制造工藝仿真技術拓展“增材思維”

撰文/齊健

增材制造為制造業帶來了革命性的變化，其應用已經從快速成型進入到了實際產品制造領域，可以完成傳統工藝無法實現的制造，如多件融合、分布式制造、材料性能的個性化控制，突破了結構形式和工藝手段的限制，實現了零件的“自由制造”。隨著工藝技術的日益成熟，單純的“打印”產品已經不能滿足制造業的需求，增材制造正在衍生出新的“增材思維”，如何利用增材制造發揮現代拓撲優化和輕量化結構設計優勢成了制造業的新熱點。

基于仿真技術的拓撲優化和增材制造工藝仿真吸引了廣大仿真軟件供應商的注意，ANSYS就專門針對增材制造推出了從結構設計到打印工藝的完整解決方案——ANSYS增材制造工藝仿真套件。ANSYS結構產品技術總監Dave Conover介紹說，ANSYS增材制造工藝仿真套件可以幫助用戶考慮整個增材工藝鏈的各個環節，包括拓撲優化、部件驗證、打印設置、工藝過程仿真、支撐生成、打印失敗預防及 微觀結構預測等，從而完成高質高效的增材制造工藝設計而無需昂貴而耗時的試錯過程。同時，利用拓撲優化技術在概念設計階段確定最佳材料分布和最佳外形，并利用參數優化在詳細設計階段確定最佳的設計參數。

ANSYS增材制造工藝仿真套件

ANSYS增材制造工藝仿真套件包括拓撲優化、SpaceClaim、Mechanical、Additive Print 和 Additive Science等多個功能模塊。可以直接讀入機器制造商的打印矢量對打印件的每個掃描矢量的熱歷史進行計算的解決方案，也能夠通過仿真輸入了解3D打印機特有的熱行為并進行詳細預測的3D打印工藝仿真解決方案。通過對增材工藝過程的仿真，預測部件最終的殘余應力和變形，從而優化工藝參數，保證打印質量和效率而避免低效的試錯過程。

拓撲優化和輕量化設計可以在保證結構剛度和承載能力的條件下優化結構材料分布，實現輕量化設計。增材制造能夠滿足拓撲優化面向自由形狀設計的制造要求，拓撲優化輸出的STL文件格式可以與增材制造實現數據通訊。

SpaceClaim是一款CAD幾何造型和結構設計模塊。允許用戶基于任意三維CAD模型開展工作，或者在STL文件基礎上基于三角面片模型進行操作，從而可以在3D模型或者拓撲優化的基礎上進行模型清理、修復、三維造型以及其它建模操作。Mechanical可以幫助用戶進行設計驗證的結構和熱分析。

Additive Print和Additive Science為金屬材料增材制造工藝過程模擬以及工藝優化、機理研究提供了高效解決方案。Additive Print可以完成增材制造工藝過程仿真，面向設計人員和3D打印操作人員，預測部件形狀、變形和應力，可視化查看逐層變形、形狀和應力，識別部件和支撐中的高應變區，自動生成最佳支撐結構和變形補償STL文件，預防葉片碰撞以及打印失敗。減少試錯試驗，消除不確定性因素，設計可以精確打印的幾何，加速制造過程，幫助更精確的報價，減少激光粉末床融化打印失敗。

Additive Science則基于工藝仿真的材料和最優打印機參數研究，面向增材工藝專家、科研人員或者設備研發者，針對特定的機器/材料組合調試最佳工藝參數，以獲得最高等級的部件完整性，并在打印之前預測微觀結構、屬性和傳感器反饋。其功能主要包括：專有的數學算法提供了比其他同類有限元軟件工具快幾個量級的計算速度；基于精確的打印文件掃描矢量或者用戶定義的掃描模式進行模擬；用戶組織的數據庫，包括每種材料非線性溫度相關、物理狀態相關的熱物理學參數。

ANSYS增材制造工藝仿真解決方案的核心是降低研發成本，提高設計水平。通過增材制造工藝仿真，在設計時期就能分析出打印后有哪些變形，整個打印件的支撐設計，如何優化打印方式，使得打印出來的變形問題最小化。在打印設備層，ANSYS解決方案與設備緊密結合，依據設備參數、打印粉末、掃描策略等，從前期仿真模型到設備對應進行優化組合，減少了參數組合，降低了由此帶來的試錯代價。

Dave Conover表示，目前ANSYS已經與雷尼紹、SLM SOLUTIONG及Additive Industry3家3D打印企業開展合作，共同推廣增材制造工藝仿真技術。

增材制造融入中國制造

增材制造技術正在全球范圍內迅速普及，中國制造企業對于這項技術的研究與應用水平也逐步加深。“中國制造的發展速度非常驚人，ANSYS非常重視中國的增材制造技術市場，我們著力為用戶打造最好的仿真產品，并希望與本地合作伙伴一起把產品、技術以及服務帶到中國用戶的身邊。”Dave Conover介紹說，安世亞太是ANSYS在中國最大的合作伙伴，雙方有超過20年的合作歷史，ANSYS增材制造工藝仿真套件在中國的推廣與落地工作也將由ANSYS與安世亞太共同實施。

基于ANSYS的產品，安世亞太與用戶一起，把增材制造先進設計的思路，從頭到尾走一遍，從材料選擇、產品部件選擇、工況定制，再到優化、分析校核，再到工藝過程仿真，再到與用戶一起制造出來，確實通過整套流程為用戶帶來真正的價值。通過一些列服務，幫助企業把整個流程應用到他們的產品制造中。

在拓撲優化技術的研發方面，安世亞太一直幫助ANSYS收集中國用戶的應用需求，并反饋到軟件更新中。從拓撲優化到形貌優化、形狀優化進行研發，包括拓撲優化的核心算法會在通用的SIMP算法擴展到水平集上，并與ANSYS一起為用戶提供相關培訓，加速拓撲優化在中國用戶中的推廣。

在增材工藝過程方面，ANSYS總部也給了安世亞太很大的權限，由安世亞太在中國獨家推廣ANSYS增材制造工藝仿真套件，同時ANSYS也從技術和開發的角度為安世亞太提供了大量的支撐。安世亞太還把ANSYS在國外基于增材設計優化的成功案例推廣到中國企業中，幫助中國企業在增材制造、智能制造過程中，找到關鍵技術點、關鍵級產品，幫助中國企業實現增材先進設計。

同時，安世亞太為中國企業提供增材制造技術的系列培訓，免費提供科普性、入門性的增材制造基礎培訓，以及定制化的CAE高級應用專題課程，拓撲優化、參數優化等先進設計技術，以及增材制造工況過程仿真等有針對性的培訓。

此外，安世亞太還在中國推廣針對增材先進設計的高校計劃——長城計劃，與教育部合作推出增材先進設計的課程。安世中德咨詢公司技術總經理包剛強介紹說，目前全國已經有20多家高校報名，課程覆蓋有限元分析、優化技術、增材制造工藝過程，乃至整個增材先進設計方法、思路、體系，安世亞太希望通過高校畢業生更好地將增材先進設計方法帶入到企業中去。

基于“增材思維”的高端研發與先進制造

基于增材制造工藝的“增材思維”正在掀起一場設計的革命，包剛強認為，“增材思維”完全打開了設計枷鎖，設計人員可以真正回歸用戶需求，進行面向功能的設計（DFF）或面向增材制造的設計（DFAM），按照價值、功能和能量的觀點，使設計與工藝、設計與制造之間不再是因果與順序關系而是互為激勵的活系統，以效法自然的方式實現大型/超大型構件或結構系統、復雜/超復雜構件或結構系統、多品種小批量個性化產品的低成本創新設計和快速制造，乃至創造超常結構實現超常功能。

正向設計和增材制造結合的解決方案，應用于工程海量數據、工業大數據、互聯網大數據等不同種類的數據整合、分析、挖掘、展示場景，應用于產品模型數據的管理、融合和協同，應用于知識管理、知識工程、各種專業數據庫/知識庫建設，乃至應用于集團企業的商業智能和戰略決策等。

在整個系統工程層面，安世亞太從創立精益研發，到產品再設計，再到產品正向設計和增材先進設計，在整個體系中，安世亞太梳理了一些關鍵的技術環節和關鍵的實現途徑。從系統工程層面，正向設計需要系統工程去做需求定義、輸出。通過ANSYS Flownex一維流動分析系統到 ANSYS MBS多體動力學，以及機電一體化Simplorer平臺，從系統角度仿真分析，將系統得到的邊界載荷都傳遞給部件，實現對整個系統的仿真和優化。

包剛強說：“增材制造與傳統制造的關系，可以類比為經典物理和原子物理的關系，增材制造未來的發展也必定像原子物理、量子物理一樣有著廣闊而深遠的前景。基于增材思維的先進制造技術體系正是中國制造業轉型升級的‘第二種機會窗口’，使得我們有可能換道超車。”