撰文/齊健

增材制造為制造業(yè)帶來了革命性的變化，其應(yīng)用已經(jīng)從快速成型進入到了實際產(chǎn)品制造領(lǐng)域，可以完成傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式和工藝手段的限制，實現(xiàn)了零件的“自由制造”。隨著工藝技術(shù)的日益成熟，單純的“打印”產(chǎn)品已經(jīng)不能滿足制造業(yè)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(fā)揮現(xiàn)代拓撲優(yōu)化和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢成了制造業(yè)的新熱點。

基于仿真技術(shù)的拓撲優(yōu)化和增材制造工藝仿真吸引了廣大仿真軟件供應(yīng)商的注意，ANSYS就專門針對增材制造推出了從結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)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(huán)節(jié)，包括拓撲優(yōu)化、部件驗證、打印設(shè)置、工藝過程仿真、支撐生成、打印失敗預(yù)防及 微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測等，從而完成高質(zhì)高效的增材制造工藝設(shè)計而無需昂貴而耗時的試錯過程。同時，利用拓撲優(yōu)化技術(shù)在概念設(shè)計階段確定最佳材料分布和最佳外形，并利用參數(shù)優(yōu)化在詳細設(shè)計階段確定最佳的設(shè)計參數(shù)。

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(yōu)化、SpaceClaim、Mechanical、Additive Print 和 Additive Science等多個功能模塊?？梢灾苯幼x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(yù)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(yù)測部件最終的殘余應(yīng)力和變形，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，保證打印質(zhì)量和效率而避免低效的試錯過程。

拓撲優(yōu)化和輕量化設(shè)計可以在保證結(jié)構(gòu)剛度和承載能力的條件下優(yōu)化結(jié)構(gòu)材料分布，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。增材制造能夠滿足拓撲優(yōu)化面向自由形狀設(shè)計的制造要求，拓撲優(yōu)化輸出的STL文件格式可以與增材制造實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。

SpaceClaim是一款CAD幾何造型和結(jié)構(gòu)設(shè)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(chǔ)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(yōu)化的基礎(chǔ)上進行模型清理、修復(fù)、三維造型以及其它建模操作。Mechanical可以幫助用戶進行設(shè)計驗證的結(jié)構(gòu)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(yōu)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(shè)計人員和3D打印操作人員，預(yù)測部件形狀、變形和應(yīng)力，可視化查看逐層變形、形狀和應(yīng)力，識別部件和支撐中的高應(yīng)變區(qū)，自動生成最佳支撐結(jié)構(gòu)和變形補償STL文件，預(yù)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(shè)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(yōu)打印機參數(shù)研究，面向增材工藝專家、科研人員或者設(shè)備研發(fā)者，針對特定的機器/材料組合調(diào)試最佳工藝參數(shù)，以獲得最高等級的部件完整性，并在打印之前預(yù)測微觀結(jié)構(gòu)、屬性和傳感器反饋。其功能主要包括：專有的數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)庫，包括每種材料非線性溫度相關(guān)、物理狀態(tài)相關(guān)的熱物理學(xué)參數(shù)。

ANSYS增材制造工藝仿真解決方案的核心是降低研發(fā)成本，提高設(shè)計水平。通過增材制造工藝仿真，在設(shè)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(shè)計，如何優(yōu)化打印方式，使得打印出來的變形問題最小化。在打印設(shè)備層，ANSYS解決方案與設(shè)備緊密結(jié)合，依據(jù)設(shè)備參數(shù)、打印粉末、掃描策略等，從前期仿真模型到設(shè)備對應(yīng)進行優(yōu)化組合，減少了參數(shù)組合，降低了由此帶來的試錯代價。

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

增材制造融入中國制造

增材制造技術(shù)正在全球范圍內(nèi)迅速普及，中國制造企業(yè)對于這項技術(shù)的研究與應(yīng)用水平也逐步加深。“中國制造的發(fā)展速度非常驚人，ANSYS非常重視中國的增材制造技術(shù)市場，我們著力為用戶打造最好的仿真產(chǎn)品，并希望與本地合作伙伴一起把產(chǎn)品、技術(shù)以及服務(wù)帶到中國用戶的身邊?！盌ave 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(chǎn)品，安世亞太與用戶一起，把增材制造先進設(shè)計的思路，從頭到尾走一遍，從材料選擇、產(chǎn)品部件選擇、工況定制，再到優(yōu)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(wù)，幫助企業(yè)把整個流程應(yīng)用到他們的產(chǎn)品制造中。

在拓撲優(yōu)化技術(shù)的研發(fā)方面，安世亞太一直幫助ANSYS收集中國用戶的應(yīng)用需求，并反饋到軟件更新中。從拓撲優(yōu)化到形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化進行研發(fā)，包括拓撲優(yōu)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(guān)培訓(xùn)，加速拓撲優(yōu)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(quán)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(shù)和開發(fā)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(shè)計優(yōu)化的成功案例推廣到中國企業(yè)中，幫助中國企業(yè)在增材制造、智能制造過程中，找到關(guān)鍵技術(shù)點、關(guān)鍵級產(chǎn)品，幫助中國企業(yè)實現(xiàn)增材先進設(shè)計。

同時，安世亞太為中國企業(yè)提供增材制造技術(shù)的系列培訓(xùn)，免費提供科普性、入門性的增材制造基礎(chǔ)培訓(xùn)，以及定制化的CAE高級應(yīng)用專題課程，拓撲優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化等先進設(shè)計技術(shù)，以及增材制造工況過程仿真等有針對性的培訓(xùn)。

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

基于“增材思維”的高端研發(fā)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(shè)計的革命，包剛強認為，“增材思維”完全打開了設(shè)計枷鎖，設(shè)計人員可以真正回歸用戶需求，進行面向功能的設(shè)計（DFF）或面向增材制造的設(shè)計（DFAM），按照價值、功能和能量的觀點，使設(shè)計與工藝、設(shè)計與制造之間不再是因果與順序關(guān)系而是互為激勵的活系統(tǒng)，以效法自然的方式實現(xiàn)大型/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復(fù)雜/超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個性化產(chǎn)品的低成本創(chuàng)新設(shè)計和快速制造，乃至創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超常功能。

正向設(shè)計和增材制造結(jié)合的解決方案，應(yīng)用于工程海量數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等不同種類的數(shù)據(jù)整合、分析、挖掘、展示場景，應(yīng)用于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的管理、融合和協(xié)同，應(yīng)用于知識管理、知識工程、各種專業(yè)數(shù)據(jù)庫/知識庫建設(shè)，乃至應(yīng)用于集團企業(yè)的商業(yè)智能和戰(zhàn)略決策等。

在整個系統(tǒng)工程層面，安世亞太從創(chuàng)立精益研發(fā)，到產(chǎn)品再設(shè)計，再到產(chǎn)品正向設(shè)計和增材先進設(shè)計，在整個體系中，安世亞太梳理了一些關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)和關(guān)鍵的實現(xiàn)途徑。從系統(tǒng)工程層面，正向設(shè)計需要系統(tǒng)工程去做需求定義、輸出。通過ANSYS Flownex一維流動分析系統(tǒng)到 ANSYS MBS多體動力學(xué)，以及機電一體化Simplorer平臺，從系統(tǒng)角度仿真分析，將系統(tǒng)得到的邊界載荷都傳遞給部件，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的仿真和優(yōu)化。

包剛強說：“增材制造與傳統(tǒng)制造的關(guān)系，可以類比為經(jīng)典物理和原子物理的關(guān)系，增材制造未來的發(fā)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(shù)體系正是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的‘第二種機會窗口’，使得我們有可能換道超車?！?/p>