復(fù)雜金屬3D打印的最大障礙不是金屬或3D打印機(jī)

魔猴君  知識(shí)堂   80天前

當(dāng)瓦錫蘭海洋公司增材制造高級(jí)專(zhuān)家Francesco Trevisan著手設(shè)計(jì)完美的船用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋時(shí)，他選擇使用金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其重量更輕、性能更佳。該技術(shù)使他能夠創(chuàng)建復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料的有機(jī)形狀，并將多部分組件整合為一個(gè)單元。

經(jīng)過(guò)大量的設(shè)計(jì)工作和虛擬模擬，它已近乎完美。與傳統(tǒng)制造的原始設(shè)計(jì)相比，它輕了60%。它將多達(dá)十個(gè)子系統(tǒng)集成到最終組件中，降低了裝配復(fù)雜性并提高了冷卻性能。這是一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步推動(dòng)W?rtsil?實(shí)現(xiàn)碳中和航運(yùn)和能源生產(chǎn)的目標(biāo)，

但是這根本就不可能實(shí)現(xiàn)。

瓦錫蘭nTop氣缸蓋設(shè)計(jì)（來(lái)源：nTop）

障礙不在于設(shè)計(jì)的完整性，也不在于大型激光粉末床熔融3D打印機(jī)的性能。也不在于金屬粉末，而是問(wèn)題在于數(shù)字部件的文件大小。

但現(xiàn)在，軟件公司nTop和Materialise Magics之間的新合作提供了一種解決方案，可以將部件的文件大小減少約90%。這一進(jìn)展不僅將使W?rtsil?能夠生產(chǎn)其大型氣缸蓋，還可能加速金屬3D打印在幾乎所有行業(yè)的應(yīng)用。

復(fù)雜金屬增材制造的設(shè)計(jì)瓶頸

W?rtsil?計(jì)劃使用尼康SLM激光粉末床融合3D打印機(jī)（例如這款600E版）來(lái)3D打印其船用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋（來(lái)源：尼康SLM）

此前，Trevisan的復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)部件或熱交換器設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生7到10 GB大小的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)文件。具有大量特征（例如極其精細(xì)的網(wǎng)格）的CAD模型會(huì)擴(kuò)展當(dāng)今軟件的容量，文件大小和重建時(shí)間會(huì)隨著部件尺寸的增加而呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

然而，這個(gè)尺寸約為500 x 500 x 450毫米的船用發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋在nTop的“計(jì)算設(shè)計(jì)”軟件中針對(duì)3D打印進(jìn)行了優(yōu)化，這使Trevisan能夠添加非常復(fù)雜的細(xì)節(jié)，例如晶格和內(nèi)部通道，并將各個(gè)部分合并為一個(gè)部分，而無(wú)需數(shù)千兆字節(jié)的文件。nTop類(lèi)似于CAD軟件，但它在表示零件幾何形狀的方式上更加復(fù)雜，并且文件大小要小得多。

例如，在大多數(shù)CAD程序（包括Fusion和Creo）中，零件的幾何形狀使用“邊界表示”（B-reps）表示。我們不會(huì)在這里深入探討B(tài)-rep架構(gòu)的所有復(fù)雜性，而是將其視為人類(lèi)如何感知幾何形狀；表面、邊緣、測(cè)量值及其相互關(guān)系。當(dāng)零件變得非常復(fù)雜時(shí)，這些會(huì)占用大量的計(jì)算資源和文件空間。

隨著對(duì)復(fù)雜幾何圖形、拓?fù)鋬?yōu)化和生成設(shè)計(jì)的需求不斷增長(zhǎng)，尤其是21世紀(jì)初期增材制造的興起，CAD文件大小開(kāi)始成為一個(gè)問(wèn)題。大約在這個(gè)時(shí)候，隨著計(jì)算能力的提高和實(shí)現(xiàn)，一種在CAD軟件中表示幾何圖形的新方法（稱(chēng)為隱式建模）開(kāi)始受到關(guān)注。

隱式建模的力量

nTop軟件采用的隱式建模是一種表示零件幾何形狀的另一種方式。它不明確計(jì)算任何邊或頂點(diǎn)，而是使用x、y和z的單個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述3D實(shí)體。換句話(huà)說(shuō)，幾何形狀由數(shù)學(xué)表示，該數(shù)學(xué)定義點(diǎn)是位于形狀的內(nèi)部、外部還是表面上。nTop的首席執(zhí)行官Bradley Rothenberger表示，這更像是計(jì)算機(jī)對(duì)幾何形狀的看法。

隱式建模擅長(zhǎng)混合或合并復(fù)雜幾何圖形，而無(wú)需手動(dòng)定義過(guò)渡或邊界，這使其對(duì)于需要復(fù)雜表面的有機(jī)形式和設(shè)計(jì)特別有用。

生成的文件大小可能不到常規(guī)CAD文件大小的十分之一，但精度卻一樣高。

在nTop中，Trevisan現(xiàn)在有一個(gè)氣缸蓋文件，但無(wú)法直接從nTop的.implicit文件進(jìn)行3D打印；必須將它們轉(zhuǎn)換回更熟悉的基于網(wǎng)格的B-rep模型，才能輸入到3D打印文件準(zhǔn)備軟件Materialise Magics中。這就是該項(xiàng)目面臨的重大障礙。

CAD的無(wú)網(wǎng)格未來(lái)

Materialise Magics文件準(zhǔn)備軟件中的W?rsil?氣缸蓋（來(lái)源：Materialise）

生成的網(wǎng)格文件太大且難以處理，無(wú)法打印。

“W?rtsil?的瓶頸在于網(wǎng)格劃分，”Rothenberg說(shuō)道?！八麄儫o(wú)法高效地劃分該部件的網(wǎng)格，因?yàn)樵趎Top中劃分網(wǎng)格需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，而劃分網(wǎng)格后，又需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)甚至一夜的時(shí)間才能在Magics中打開(kāi)，然后又需要數(shù)周時(shí)間才能切割出氣缸蓋大小的部件。”

Trevisan表示，在傳輸或處理文件的任何階段，系統(tǒng)都極有可能崩潰，這意味著需要重新開(kāi)始，并導(dǎo)致數(shù)周的延遲。過(guò)去，他的解決方法包括分割網(wǎng)格或?qū)⒃O(shè)計(jì)分成幾部分?！翱偸切枰讌f(xié)，”他說(shuō)?！拔覀儗?duì)網(wǎng)格的細(xì)節(jié)程度有所限制，因此最終打印出來(lái)的細(xì)節(jié)質(zhì)量經(jīng)常會(huì)受到影響。”

他需要一種方法將.implicit文件從nTop直接導(dǎo)入Magics，這正是nTop在八月份剛剛宣布的功能。

“與Magics集成后最令人興奮的方面之一是讓客戶(hù)能夠直接從.implicit文件進(jìn)行3D打印，”Rothenberg說(shuō)道?！白鳛殡[式文件，從nTop導(dǎo)出的氣缸蓋只需幾秒鐘，在Magics中打開(kāi)只需幾分鐘，切片只需幾個(gè)小時(shí)。”

Materialise Magics 3D打印套件中的nTop隱式建模API（將于2025年下一次發(fā)布Materialise Magics時(shí)推出）消除了隱式到網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換，這對(duì)于大型金屬零件來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的障礙。

在SLM NXG 600 3D打印機(jī)上打印之前，Materialise Magics文件準(zhǔn)備軟件中的W?rtsil?氣缸蓋（來(lái)源：Materialise）

到目前為止，Magics并不是nTop的唯一集成。它宣布推出一款適用于EOS 3D打印機(jī)的插件，該插件與機(jī)器的2023年發(fā)布的EOSPrint 2.14構(gòu)建流程兼容。這基本上實(shí)現(xiàn)了與Magics集成相同的功能，但僅限于EOS品牌機(jī)器。

“繼Magics之后，還有其他插件和構(gòu)建處理器集成正在開(kāi)發(fā)中，”負(fù)責(zé)與合作伙伴構(gòu)建隱性生態(tài)系統(tǒng)的nTop高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Daeho Hong說(shuō)道。

nTop并不是唯一一家提供隱式建模的軟件出版商——Siemens NX和Altair Inspire中也有一些提供該功能的產(chǎn)品——但它是迄今為止走得最遠(yuǎn)的，這就引出了一個(gè)問(wèn)題：隱式建模是CAD的未來(lái)嗎？

隱性建模是未來(lái)嗎？

Autodesk Fusion CAD軟件與nTop的集成使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⑹褂秒[式建模設(shè)計(jì)的零件合并到Fusion組件中（來(lái)源：nTop）

有了隱式文件，“我們不僅擺脫了STL和網(wǎng)格，還獲得了一種更流暢的工作方式，”Trevisan說(shuō)道?！耙虼?，與STL和網(wǎng)格相比，我認(rèn)為隱式建模才是未來(lái)?！?/span>

Fusion CAD軟件制造商Autodesk最近推出了與nTop（nTop for Fusion App）的集成，使設(shè)計(jì)師能夠?qū)?implicit文件直接導(dǎo)入多組件產(chǎn)品。上圖展示了如何將在nTop中優(yōu)化的摩托車(chē)零件導(dǎo)入此Fusion設(shè)計(jì)中進(jìn)行擬合和仿真。

Fusion還擁有一些用于網(wǎng)格化的隱式建模功能，據(jù)說(shuō)它在CAD中還有更大的隱式建模計(jì)劃。Fusion擁有自己的金屬部件構(gòu)建準(zhǔn)備軟件，并與Renishaw等3D打印機(jī)制造商集成，可直接3D打印.implicit文件，與新的Magics集成相當(dāng)。

軟件制造商Hexagon現(xiàn)在也可以讀取nTop的.implicit文件并在其上運(yùn)行復(fù)雜的模擬，而其他模擬軟件制造商，包括用于FEA模擬的Intact和用于CFD流動(dòng)模擬的CloudFluid現(xiàn)在也可以讀取.implicit文件。

“這些合作伙伴的有趣之處在于，他們直接從隱式中進(jìn)行模擬，這意味著非常快速的模擬，”Rothenberg說(shuō)?！斑@在早期設(shè)計(jì)階段非常有用，因?yàn)楣こ處熛Ｍ焖僭u(píng)估許多不同的變體并了解它們的相對(duì)性能，而無(wú)需運(yùn)行需要網(wǎng)格劃分和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的高精度模擬。通過(guò)這種方式，工程師能夠非?？焖俚剡M(jìn)行DOE并更快地縮小設(shè)計(jì)方向。”

但也許與Magics的新集成將進(jìn)一步推動(dòng)應(yīng)用程序的發(fā)展，因?yàn)镸agics是大多數(shù)金屬激光粉末床融合3D打印機(jī)所有者使用的文件準(zhǔn)備軟件。

“我們相信3D打印的未來(lái)在于無(wú)縫處理大型和高度復(fù)雜的文件，我們與nTop的合作是朝著這個(gè)方向邁出的關(guān)鍵一步，”Materialise軟件副總裁Udo Eberlein表示。“通過(guò)將nTop的隱式建模內(nèi)核與我們的Magics軟件和NxG Build Processor集成，我們顯著提高了從設(shè)計(jì)到制造過(guò)程的效率和可靠性。此次合作不僅消除了現(xiàn)有的限制，還加速了創(chuàng)新3D打印應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，使工程師能夠以前所未有的輕松和速度將他們的高性能設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)?！?/span>

實(shí)現(xiàn)氣缸蓋

您可能已經(jīng)猜到了，W?rtsil?的優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋是一個(gè)示范項(xiàng)目，但具有堅(jiān)實(shí)的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，Trevisan說(shuō)道。作為發(fā)動(dòng)機(jī)中最關(guān)鍵的部件之一（我們說(shuō)的是大型18缸貨船發(fā)動(dòng)機(jī)），完整的驗(yàn)證過(guò)程可能需要五到十年。因此，該項(xiàng)目的短期目標(biāo)是進(jìn)行最艱難的案例研究之一來(lái)證明其應(yīng)用?！叭缓笪覀兛梢詫⑾嗤母拍顟?yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的許多不同技術(shù)區(qū)域，”Trevisan指出。

盡管瓦錫蘭已經(jīng)打印了三個(gè)30%大小的原型，但該公司尚未打印全尺寸氣缸蓋。洪表示，使用尼康SLM NXG 600激光粉末床融合3D打印機(jī)，預(yù)計(jì)打印時(shí)間約為10天。打印計(jì)劃在年底前進(jìn)行，之后將進(jìn)行部件檢查和驗(yàn)證，并證明部件的性能。

檢查階段將顯示部件是否已達(dá)到提供更好冷卻或更好性能的目標(biāo)。“它還將顯示是否存在一些我們未預(yù)見(jiàn)到的隱藏問(wèn)題，”Trevisan說(shuō)，“或者是否還有其他優(yōu)勢(shì)。”

盡管W?rtsil?3D打印的每個(gè)部件并不是都需要像nTop這樣的先進(jìn)設(shè)計(jì)軟件，但Trevisan表示，既然它已經(jīng)與Magics集成，他打算更頻繁地使用它。

 編譯整理：ALL3DP