一文看懂影響3D打印的軟件有哪些？
魔猴君 知識堂 1616天前
隨著中央政治局常委會會議提出“加快5G網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設進度”，頂層設計為新型基礎設施建設按下“加速鍵”?？梢灶A見，在更強大的新基建基礎設施上，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。
對于3D打印這一數(shù)字化特征尤為明顯的制造技術，軟件可以說是解鎖3D打印產(chǎn)業(yè)化潛力的基礎。本期，結(jié)合Digital Alloys公司總結(jié)的軟件信息，魔猴網(wǎng)與大家一起來領略那些影響3D打印的軟件。
3D打印領域的軟件。來源：Digital Alloys
軟件與數(shù)據(jù)相互進化
在生產(chǎn)環(huán)境中為了有效實施3D打印，需要用于設計、仿真、預處理、任務分配、制造、檢查和質(zhì)量管理的軟件工具。
l 設計（CAD）
工程師和設計師使用計算機輔助設計（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，用于設計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-達索系統(tǒng)，Siemens-西門子，PTC和Autodesk-歐特克等。對于某些應用，使用針對增材制造的特點進行優(yōu)化的表面和結(jié)構，這優(yōu)化的方式包括填充復雜的胞元結(jié)構，空心特征和添加數(shù)字紋理等。在這方面誕生了一些針對性很強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世紀最好的創(chuàng)新是將生物學與技術相交叉。工業(yè)制造領域中有很多零部件或機械的設計都是從生物學中得到的靈感，比如說潛艇的設計是從海豚體形或皮膚結(jié)構中得到的靈感….這樣的例子在工業(yè)領域還有很多很多。
那么，為什么我們需要將生物學的概念引入制造中呢？大自然創(chuàng)造的生物結(jié)構巧妙而復雜，人們?nèi)绾螌⑦@些大自然的作品“復制”到工業(yè)制造中呢？
日益發(fā)展的智能化設計軟件與3D打印技術為我們提供了一條創(chuàng)造仿生結(jié)構的捷徑。市場上存在一類特殊的設計軟件，稱為“創(chuàng)成式設計”以及“拓撲優(yōu)化”（GD / TO）軟件，可定義加載方案，設定邊界條件和設計約束條件下優(yōu)化零件幾何形狀，以實現(xiàn)所需的性能。該軟件依靠計算機迭代與仿真來完善零件的幾何形狀，將CAD設計規(guī)則與來自計算機輔助工程（CAE）工具的仿真相結(jié)合。
創(chuàng)成式設計可以幫助設計師優(yōu)化零件強度重量比，可以模仿自然結(jié)構發(fā)展的方式，創(chuàng)造出最強大的結(jié)構，同時最大限度地減少材料的使用。
例如，人體骨骼具有復雜的內(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。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度和抗壓強度。因此，蜂窩結(jié)構已經(jīng)被大量需要輕量化的結(jié)構所采用，從飛機渦輪葉片到生活中不起眼的紙板箱中。在所有這些應用中，蜂窩使得零件更堅固和更輕。
創(chuàng)成式設計是一個人機交互、自我創(chuàng)新的過程。根據(jù)輸入者的設計意圖，通過”創(chuàng)成式”系統(tǒng)，生成潛在的可行性設計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。
“創(chuàng)成式設計”以及“拓撲優(yōu)化”GD / TO軟件的領先提供商包括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，當今產(chǎn)品的復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)試錯的方法，已經(jīng)無法在今天的全球競爭中保持領先的地位，因為這種方式費力、費時并且昂貴，而通過計算機輔助工程（CAE）仿真的力量驅(qū)動設計、管理復雜性、預測潛在的問題，已成為產(chǎn)品設計、生產(chǎn)過程，甚至是產(chǎn)品運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咨詢專家的寇曉東博士，一方面增材制造為設計帶來的自由度，將仿真的應用提到了產(chǎn)品設計的前端，從設計最早期就發(fā)現(xiàn)并解決設計缺陷，增材制造為正向設計提供了工藝基礎；另一方面仿真技術能夠激發(fā)增材制造的潛能。
在3D打印的情況下，CAE不僅用于優(yōu)化設計，而且還用于預測制造過程、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)安世中德的技術總經(jīng)理包剛強，增材制造仿真的應用價值體現(xiàn)在改善、減少和開發(fā)幾個方面。改善，包括改善金屬增材制造設計流程、對工藝過程的了解、機器生產(chǎn)效率、材料利用率、可重復性和質(zhì)量；減少，包括減少打印失敗，打印時間，不合格零件，后處理，試錯，設備維護和對環(huán)境的影響；開發(fā)，包括開發(fā)新材料，新機器，新參數(shù)，個性化微觀結(jié)構和期望的材料屬性。
可以說仿真對于3D打印至關重要，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)構和熱行為的有限元分析（FEA），以及用于分析流體流動的計算流體動力學（CFD）。FEA和CFD在建模和優(yōu)化AM過程中都至關重要。
隨著3D打印-增材制造技術的不斷成熟和應用，通過CFD和FEM在制造前預測性能、優(yōu)化設計并驗證產(chǎn)品行為，零件經(jīng)過結(jié)構流體特性拓撲優(yōu)化、結(jié)構拓撲輕量化以及尺寸優(yōu)化設計之后通過增材制造技術加工出來。CFD、FEM技術與3D打印-增材制造技術相得益彰，互相成就，共同推動零件實現(xiàn)性能升級。
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)濟學中的重要因素。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系，雙方將建立起設計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計與工程敏捷性。這種合作可以實現(xiàn)增強創(chuàng)成式設計等新的自動化流程，而自動化的流程將縮短產(chǎn)品上市時間，使多個工程團隊可以更為順暢的地一起工作。
l 制造處理（CAM）
計算機輔助制造（CAM）是使用軟件來控制諸如機床之類的制造設備。CAM軟件將CAD和CAE數(shù)據(jù)作為輸入，并創(chuàng)建機器指令（G代碼），該指令通過編程以執(zhí)行精確的加工過程。在3D打印領域，CAM過程涉及五個關鍵步驟：
確定零件構建方向：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)構等。CAM可以建議最佳構建方向，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化的。
加工余量：為了達到所需要的高表面光潔度和精度要求，通常需要預留一定的加工余量。這些余量通過機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)送至打印機以執(zhí)行打印過程。
目前更高級的工業(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。這種獨立的CAM軟件可以在處理計算要求高、復雜、高分辨率的構建中發(fā)揮作用。還允許將一個API與一組不同的3D打印設備一起使用。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的耗散動量的步驟，從而提高了可重復性并提高了生產(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)資源計劃（ERP）和產(chǎn)品生命周期管理（PLM）。
走進任何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表格管理整個制造過程，那些包含關鍵數(shù)據(jù)的Excel電子表格被存儲在各個團隊成員系統(tǒng)的本地硬盤上。唯一集成到業(yè)務的其余部分是公司服務器上的文件共享。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打印似乎只是一個步驟，但是加工中的“黑匣子過程”實際上充滿了離散的操作和數(shù)據(jù)收集機會，包括打印準備，構建模擬，實時監(jiān)控和分析，跨機器銜接以及設施的調(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，它就不能作為一個孤立的孤島來運作。
正如3D科學谷在《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打印技術走向工業(yè)生產(chǎn)，除了設計軟件和仿真軟件之外，與3D打印相關的軟件中出現(xiàn)了兩個關鍵的新類別：工作流程和安全軟件。工作流程軟件對增材制造工藝來說同樣重要。制造企業(yè)在將增材制造技術納入生產(chǎn)的過程中，對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打印工作流程各個方面的軟件產(chǎn)品來滿足3D打印的自動化管理需求。
來源：3D科學谷
