一文看懂影響3D打印的軟件有哪些？

魔猴君  知識(shí)堂   1675天前

隨著中央政治局常委會(huì)會(huì)議提出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”，頂層設(shè)計(jì)為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)按下“加速鍵”?？梢灶A(yù)見，在更強(qiáng)大的新基建基礎(chǔ)設(shè)施上，軟件將在我國的工業(yè)制造環(huán)境中獲得前所未有的良性發(fā)展生態(tài)環(huán)境。

對(duì)于3D打印這一數(shù)字化特征尤為明顯的制造技術(shù)，軟件可以說是解鎖3D打印產(chǎn)業(yè)化潛力的基礎(chǔ)。本期，結(jié)合Digital Alloys公司總結(jié)的軟件信息，魔猴網(wǎng)與大家一起來領(lǐng)略那些影響3D打印的軟件。

3D打印領(lǐng)域的軟件。來源：Digital Alloys 

軟件與數(shù)據(jù)相互進(jìn)化

在生產(chǎn)環(huán)境中為了有效實(shí)施3D打印，需要用于設(shè)計(jì)、仿真、預(yù)處理、任務(wù)分配、制造、檢查和質(zhì)量管理的軟件工具。

l 設(shè)計(jì)（CAD）

工程師和設(shè)計(jì)師使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件以數(shù)字方式定義零件的三維幾何形狀。在大多數(shù)情況下，用于設(shè)計(jì)3D打印零件的CAD軟件與常規(guī)制造所使用的軟件相同。CAD軟件的公司包括Dassault Systemes-達(dá)索系統(tǒng)，Siemens-西門子，PTC和Autodesk-歐特克等。對(duì)于某些應(yīng)用，使用針對(duì)增材制造的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化的表面和結(jié)構(gòu)，這優(yōu)化的方式包括填充復(fù)雜的胞元結(jié)構(gòu)，空心特征和添加數(shù)字紋理等。在這方面誕生了一些針對(duì)性很強(qiáng)的軟件包括歐特克的netfabb, Materialise，nTopology和Zverse等。

喬布斯(Steve Jobs) 曾經(jīng)說過，21世紀(jì)最好的創(chuàng)新是將生物學(xué)與技術(shù)相交叉。工業(yè)制造領(lǐng)域中有很多零部件或機(jī)械的設(shè)計(jì)都是從生物學(xué)中得到的靈感，比如說潛艇的設(shè)計(jì)是從海豚體形或皮膚結(jié)構(gòu)中得到的靈感….這樣的例子在工業(yè)領(lǐng)域還有很多很多。

那么，為什么我們需要將生物學(xué)的概念引入制造中呢？大自然創(chuàng)造的生物結(jié)構(gòu)巧妙而復(fù)雜，人們?nèi)绾螌⑦@些大自然的作品“復(fù)制”到工業(yè)制造中呢？

日益發(fā)展的智能化設(shè)計(jì)軟件與3D打印技術(shù)為我們提供了一條創(chuàng)造仿生結(jié)構(gòu)的捷徑。市場(chǎng)上存在一類特殊的設(shè)計(jì)軟件，稱為“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”以及“拓?fù)鋬?yōu)化”（GD / TO）軟件，可定義加載方案，設(shè)定邊界條件和設(shè)計(jì)約束條件下優(yōu)化零件幾何形狀，以實(shí)現(xiàn)所需的性能。該軟件依靠計(jì)算機(jī)迭代與仿真來完善零件的幾何形狀，將CAD設(shè)計(jì)規(guī)則與來自計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工具的仿真相結(jié)合。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化零件強(qiáng)度重量比，可以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)展的方式，創(chuàng)造出最強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)，同時(shí)最大限度地減少材料的使用。

例如，人體骨骼具有復(fù)雜的內(nèi)部和外部特征，由硬質(zhì)外皮（骨皮質(zhì)）骨形成剛性外層，但還需要允許血管這樣脆弱的組織穿過骨骼內(nèi)部的蜂窩狀結(jié)構(gòu)。這種蜂窩材料由膠原纖維組成，具有令人難以置信的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。因此，蜂窩結(jié)構(gòu)已經(jīng)被大量需要輕量化的結(jié)構(gòu)所采用，從飛機(jī)渦輪葉片到生活中不起眼的紙板箱中。在所有這些應(yīng)用中，蜂窩使得零件更堅(jiān)固和更輕。

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)是一個(gè)人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設(shè)計(jì)意圖，通過”創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設(shè)計(jì)方案的幾何模型，然后進(jìn)行綜合對(duì)比，篩選出設(shè)計(jì)方案推送給設(shè)計(jì)者進(jìn)行最后的決策。

“創(chuàng)成式設(shè)計(jì)”以及“拓?fù)鋬?yōu)化”GD / TO軟件的領(lǐng)先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西門子的Solid Edge ST10和Paramatters等。

l 模擬（CAE）

產(chǎn)品上市時(shí)間的縮短、研發(fā)周期的縮短，以及新產(chǎn)品發(fā)布速度的提升使制造業(yè)用戶面臨著持續(xù)增長的創(chuàng)新壓力，當(dāng)今產(chǎn)品的復(fù)雜性和多樣性也在日益提高，這給產(chǎn)品研發(fā)帶來了壓力。

通過傳統(tǒng)試錯(cuò)的方法，已經(jīng)無法在今天的全球競(jìng)爭中保持領(lǐng)先的地位，因?yàn)檫@種方式費(fèi)力、費(fèi)時(shí)并且昂貴，而通過計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）仿真的力量驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、管理復(fù)雜性、預(yù)測(cè)潛在的問題，已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程，甚至是產(chǎn)品運(yùn)營過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。

根據(jù)安世中德工程仿真高級(jí)咨詢專家的寇曉東博士，一方面增材制造為設(shè)計(jì)帶來的自由度，將仿真的應(yīng)用提到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前端，從設(shè)計(jì)最早期就發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)缺陷，增材制造為正向設(shè)計(jì)提供了工藝基礎(chǔ)；另一方面仿真技術(shù)能夠激發(fā)增材制造的潛能。

在3D打印的情況下，CAE不僅用于優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且還用于預(yù)測(cè)制造過程、優(yōu)化制造過程和開發(fā)新材料。由于3D打印涉及的物理復(fù)雜問題，CAE軟件可以幫助緩解質(zhì)量問題的許多潛在原因。根據(jù)安世中德的技術(shù)總經(jīng)理包剛強(qiáng)，增材制造仿真的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在改善、減少和開發(fā)幾個(gè)方面。改善，包括改善金屬增材制造設(shè)計(jì)流程、對(duì)工藝過程的了解、機(jī)器生產(chǎn)效率、材料利用率、可重復(fù)性和質(zhì)量；減少，包括減少打印失敗，打印時(shí)間，不合格零件，后處理，試錯(cuò)，設(shè)備維護(hù)和對(duì)環(huán)境的影響；開發(fā)，包括開發(fā)新材料，新機(jī)器，新參數(shù)，個(gè)性化微觀結(jié)構(gòu)和期望的材料屬性。

可以說仿真對(duì)于3D打印至關(guān)重要，滲透到從建模到前饋控制，再到過程控制、材料開發(fā)等3D打印工藝鏈的方方面面。

CAE的子類包括分析結(jié)構(gòu)和熱行為的有限元分析（FEA），以及用于分析流體流動(dòng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）。FEA和CFD在建模和優(yōu)化AM過程中都至關(guān)重要。

隨著3D打印-增材制造技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，通過CFD和FEM在制造前預(yù)測(cè)性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)并驗(yàn)證產(chǎn)品行為，零件經(jīng)過結(jié)構(gòu)流體特性拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)拓?fù)漭p量化以及尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)之后通過增材制造技術(shù)加工出來。CFD、FEM技術(shù)與3D打印-增材制造技術(shù)相得益彰，互相成就，共同推動(dòng)零件實(shí)現(xiàn)性能升級(jí)。

除了用于改善整體打印質(zhì)量外，CAE工具在幫助優(yōu)化諸如打印速度以及能量和材料輸入等參數(shù)方面也起著重要作用，這些參數(shù)是3D打印經(jīng)濟(jì)學(xué)中的重要因素。CAD和CAE的結(jié)合變得越來越緊密無縫，建模與仿真的無縫結(jié)合正成為大勢(shì)所趨，在這方面，歐特克（Autodesk）2019年11月就宣布了與工業(yè)仿真軟件企業(yè)ANSYS 之間的下一步合作關(guān)系，雙方將建立起設(shè)計(jì)軟件與仿真軟件的無縫互操作性，為制造用戶帶來革命性的設(shè)計(jì)與工程敏捷性。這種合作可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等新的自動(dòng)化流程，而自動(dòng)化的流程將縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，使多個(gè)工程團(tuán)隊(duì)可以更為順暢的地一起工作。

l  制造處理（CAM）

計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）是使用軟件來控制諸如機(jī)床之類的制造設(shè)備。CAM軟件將CAD和CAE數(shù)據(jù)作為輸入，并創(chuàng)建機(jī)器指令（G代碼），該指令通過編程以執(zhí)行精確的加工過程。在3D打印領(lǐng)域，CAM過程涉及五個(gè)關(guān)鍵步驟：

確定零件構(gòu)建方向：在零件中確定零件方向的最佳方法取決于多種因素，例如精度和表面光潔度要求、工藝、支撐結(jié)構(gòu)等。CAM可以建議最佳構(gòu)建方向，但通常也需要用戶輸入。

支撐策略：支持零件有很多不同的方法，最佳的支撐結(jié)構(gòu)取決于其幾何形狀，過程，材料和其他變量。在大多數(shù)CAM軟件中，此步驟在很大程度上是自動(dòng)化的。

加工余量：為了達(dá)到所需要的高表面光潔度和精度要求，通常需要預(yù)留一定的加工余量。這些余量通過機(jī)加工等后加工過程被去除。

零件布局：某些3D打印過程可以一次打印很多零件，分布在整個(gè)基板上，也可以堆疊在z軸上。CAM軟件有助于嵌套零件，從而使每次構(gòu)建的零件數(shù)量最大化。

加工策略：完成上述所有步驟并選擇了打印參數(shù)后，CAM軟件將生成G代碼，該代碼將發(fā)送至打印機(jī)以執(zhí)行打印過程。

目前更高級(jí)的工業(yè)增材制造用戶通常利用第三方處理工具來獲得更多控制和效率。這種獨(dú)立的CAM軟件可以在處理計(jì)算要求高、復(fù)雜、高分辨率的構(gòu)建中發(fā)揮作用。還允許將一個(gè)API與一組不同的3D打印設(shè)備一起使用。這些軟件包括Netfab（Autodesk），Magics（Materialise）和Dyndrite。

其中，來自西海岸的創(chuàng)業(yè)公司Dyndrite的用于增材制造的新3D幾何內(nèi)核使用原始的數(shù)學(xué)表示形式（B樣條曲線，NURBS和B-rep數(shù)據(jù)）來提供更好的增材加工路徑。通過不依賴STL這樣的數(shù)百萬個(gè)三角形來定義打印，Dyndrite的解決方案避免了“數(shù)據(jù)膨脹”，并可以提高打印零件的質(zhì)量。這意味著通過消除需要修理STL的耗散動(dòng)量的步驟，從而提高了可重復(fù)性并提高了生產(chǎn)速度。

l 工作流程（MES / ERP / PLM）

制造工作流程軟件已在常規(guī)供應(yīng)鏈中使用了數(shù)十年。該軟件的類別包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES），企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM）。

走進(jìn)任何3D打印公司，您將發(fā)現(xiàn)同樣的挑戰(zhàn)：很多企業(yè)還在使用Excel表格管理整個(gè)制造過程，那些包含關(guān)鍵數(shù)據(jù)的Excel電子表格被存儲(chǔ)在各個(gè)團(tuán)隊(duì)成員系統(tǒng)的本地硬盤上。唯一集成到業(yè)務(wù)的其余部分是公司服務(wù)器上的文件共享。雖然很多企業(yè)正在使用企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)，為公司的每個(gè)部門提供可視性，但ERP卻是“跳過”車間加工環(huán)節(jié)的。

然而，隨著3D打印成為制造領(lǐng)域不可或缺的一部分，Excel電子表格的方法很快變得難以為繼。乍一看3D打印似乎只是一個(gè)步驟，但是加工中的“黑匣子過程”實(shí)際上充滿了離散的操作和數(shù)據(jù)收集機(jī)會(huì)，包括打印準(zhǔn)備，構(gòu)建模擬，實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，跨機(jī)器銜接以及設(shè)施的調(diào)度，后處理要求等等。

雖然3D打印工藝有著其特定的需求和具體的挑戰(zhàn)，但是如果用戶真的愿意接受3D打印作為一種制造技術(shù)，它就不能作為一個(gè)孤立的孤島來運(yùn)作。

正如3D科學(xué)谷在《一張圖看懂國際3D打印產(chǎn)業(yè)鏈》中所提到的，在過去幾年中，隨著3D打印技術(shù)走向工業(yè)生產(chǎn)，除了設(shè)計(jì)軟件和仿真軟件之外，與3D打印相關(guān)的軟件中出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)鍵的新類別：工作流程和安全軟件。工作流程軟件對(duì)增材制造工藝來說同樣重要。制造企業(yè)在將增材制造技術(shù)納入生產(chǎn)的過程中，對(duì)工作流程軟件的需求將不斷增加，這類軟件可以管理增材制造過程中所涉及的生產(chǎn)步驟。工作流軟件的前景在過去五年中不斷發(fā)展，現(xiàn)在許多軟件供應(yīng)商都提供了管理增材制造工作流的解決方案。

Materialise、AMFG、3YourMind、Authentise、Link3D、Oqton和其他軟件提供商正在通過重新定義傳統(tǒng)MES來支持管理3D打印工作流程各個(gè)方面的軟件產(chǎn)品來滿足3D打印的自動(dòng)化管理需求。

來源：3D科學(xué)谷