專訪增材制造仿真龍頭：金屬3D打印將像鑄造,、鍛造一樣普及

南極熊請讀者思考一個問題,，如果金屬3D打印工藝成熟，成本也比較低了,，像鑄造、鍛造一樣普及的話,，那么這個市場容量會是多大呢,？

現在中國金屬3D打印設備廠商、材料廠商,、服務廠商層出不窮,，越來越火,，南極熊看到了不少新面孔；但是,，軟件類的不多,。金屬3D打印的應用難度和門檻都很高，即使是使用相同品牌和型號的金屬3D打印機,，不同的用戶,，使用效果差別也非常大。不像我們所熟知的平面打印件,，只需要打開文檔,，即可把內容打印到紙上。

金屬3D打印的使用,，打印件模型面向增材制造的設計和工藝仿真,，顯得至關重要。如何保證增材制造打印件的質量和成功率是當前急需解決的一個問題,。增材工藝仿真的出現,，可以實現在制造前對打印工藝過程進行仿真計算，進而預測打印完成后的真實狀態(tài)并進行工藝優(yōu)化,。


2018年3月中旬,，南極熊來到安世亞太公司北京總部（安世亞太是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領域的領先者、新型工業(yè)品研制者,、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者,在虛擬仿真行業(yè)排名第一）,，專訪了全球金屬3D打印拓撲優(yōu)化的領導廠商ANSYS及中國合作伙伴安世亞太。


△美國ANSYS公司結構產品技術總監(jiān)Dave Conover（左）,、安世中德咨詢公司技術總經理 包剛強（右）

美國ANSYS公司,，在全球工程設計仿真軟件方面，實力數一數二,。2017年11月,，ANSYS收購了增材制造仿真企業(yè)3DSIM，成為增材制造工藝過程仿真的領導者,，并推出ANSYS增材制造工藝仿真套件——ANSYS Additive Suit,。

ANSYS面向增材制造的設計和工藝仿真提供了完整的解決方案，使得用戶可以考慮整個增材設計制造鏈的各個環(huán)節(jié),，包括拓撲設計優(yōu)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,、微觀結構預測等,，幫助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,。例如在試制一個航空航天相關的金屬零部件過程當中，往往需要使用金屬3D打印機打印好幾個版本的樣件,，如果充分應用設計和工藝仿真技術,，則可以減少打印的版本次數。


3D打印技術可以充分發(fā)揮現代拓撲優(yōu)化和輕量化結構設計優(yōu)勢,，實現復雜的拓撲優(yōu)化金屬件的制造,，讓零件重量大大降低（輕量化），帶來更好的操控性,發(fā)動機輸出的動力能夠產生更高的加速度,，節(jié)約能源,。南極熊甚至看到，北京鑫精合,，把拓撲優(yōu)化當做整個3D打印金屬服務體系最為重要的理念和目標,。


記者：ANSYS收購3DSIM之后，有何布局,？
Dave Conover：ANSYS希望通過解決方案可以把增材制造技術更成熟化,，如同做鑄造、鍛造這樣的工藝,。金屬是3D打印未來的方向和重點,，是一個核心，潛力巨大,。金屬打印需要面對不同打印件的形狀,，ANSYS解決方案可以幫助解決其中的難題，從而讓金屬3D打印成為廣泛應用的一種制造工藝,，并將這樣的技術推廣到各個國家,。


記者：安世亞太與ANSYS在金屬3D打印工藝仿真解決方案上如何合作？
包剛強：增材制造的完整解決方案是對增材工藝的發(fā)揚光大,，增材制造不僅僅是個工藝技術,，更是一種增材思維，整個解決方案從設計端的拓撲優(yōu)化,，到CAE系統分析,，并利用仿真分析快速找到合適的工藝參數，幫助企業(yè)把產品制造出來,。這方面,，安世亞太會跟ANSYS總部做更緊密的合作，目前幾個層面的合作已經在開展：
①拓撲優(yōu)化的合作,。ANSYS拓撲優(yōu)化,，從17.0一直開發(fā)到19.0 ，我們一直在提一些建議，基于中國的用戶對拓撲優(yōu)化的需求,，從拓撲優(yōu)化乃至將來形貌優(yōu)化，形狀優(yōu)化都在做些研發(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,，同時跟ANSYS一起，提供相關培訓,，希望把拓撲優(yōu)化的方式方法盡可能推廣給中國用戶,。
②從ANSYS盡可能拿到比較成功的基于增材設計優(yōu)化在國外的成功案例，我覺得這些案例能給我們帶來很多的啟發(fā),，幫助中國企業(yè)在增材制造,、智能制造過程中，找到關鍵技術點,、關鍵級產品,，用我們這套解決方案幫助中國企業(yè)實現增材先進設計。
③增材工藝過程方面,，ANSYS總部也是給了我們安世亞太很大的權限,，我們獨家在中國推廣這套解決方案，同時ANSYS也從技術和開發(fā)的角度都給我們了大量的支撐,、支持,，聚集國外ANSYS開發(fā)專家的支持，有助于我們更好的開展增材方案的推廣,。


△案例：ANSYS增材仿真套件用于確定部件變形并據此在打印前進行工藝補償設計,。初始設計在打印完成后結構上部出現很大的凸起變形，ANSYS增材仿真套件基于初始幾何以及計算預測的變形,，建立了變形補償的STL文件并用于3D打印機,，最終打印出的零件精確符合設計要求。

記者：怎么幫助中國企業(yè),、用戶把增材制造解決方案落地,？
包剛強：安世亞太有幾種方式方法：
①通過我們的高校培訓計劃與教育部合作，目前正在體系性的從頂層進行增材人才相應的培訓標準,，方法和體系做對應的對接規(guī)劃,。長城計劃即將推出增材先進設計的課程，課程覆蓋有限元分析,，優(yōu)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，我們希望通過高校畢業(yè)生更好地將增材先進設計方法帶入到企業(yè)中去。
②今年,，作為我們基于增材先進設計解決方案的開端,，我們有專門的增材解決方案專場，提供專業(yè)的內容,，分享給ANSYS的用戶,，當然不僅僅是ANSYS的用戶。從市場角度,，安世亞太也會有系列的市場活動安排,，包括增材相關的展會等，我們會將增材制造解決方案,、思路通過更多地渠道傳遞給企業(yè),。
③通過系列的培訓，我們可以給企業(yè)提供免費的培訓,，也可以提供定制化的收費培訓,，CAE高級應用專題，拓撲優(yōu)化,，參數優(yōu)化這樣的很直接的先進設計技術,，增材工況過程仿真等培訓。
④提供專業(yè)服務,，我們會有實實在在的產品,，與用戶一起，把增材先進設計的思路,，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(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，做實驗,，確實通過整套流程為用戶帶來真正的價值,。通過一系列服務，幫助企業(yè)把整個流程應用到他們的產品制造中,。



記者：ANSYS在增材制造軟件領域具有怎樣的技術優(yōu)勢,？面對拓撲優(yōu)化和3D打印結合，ANSYS的競爭優(yōu)勢如何體現,？
Dave Conover：ANSYS作為物理仿真的領導者,，具有很強的物理仿真技術能力,，針對拓撲優(yōu)化和3D打印結合中間會有一個典型應用流程，ANSYS在整個過程,、流程中,，會針對如何幫助用戶在設計層面到物理層面、打印層面,，通過對物理仿真的理解,，提供完整的解決方案。物理仿真是最強的差異性,。
①在拓撲優(yōu)化領域，最核心的是CAE物理仿真的合理性,，或者模型以及功率的強大,，ANSYS在CAE仿真的維度，有很好的基礎,，拓撲優(yōu)化基于這個基礎再去衍伸具有很大的優(yōu)勢,，拓撲優(yōu)化自身的算法，變密度SIMP法,，其實其他的軟件也是用類似的這樣的算法,，但是最大的核心，在于涵蓋的物理場有多少,，ANSYS是多物理場的典型領導者,，市場上很多其他解決方案缺乏對物理場涵蓋的全面性。②這里強調的是整個的流程,，從材料,、設計再到拓撲優(yōu)化再到校核，再到工藝過程的仿真,，ANSYS是真正想把完整的解決方案鋪開,，而市場很多方案是單獨和孤立的。



記者：有些CAD廠商紛紛推出Generative Design（創(chuàng)成式設計或衍生式設計）產品,，其核心也是拓撲優(yōu)化技術,，從設計角度和從 ANSYS仿真角度看，有什么差異化,？
Dave Conover：這些廠商主要聚焦于結構相關的優(yōu)化,，對于ANSYS來說，結構當然是非常重要的一塊,，但是同時還有其他的物理環(huán)境也非常重要,，比如振動，熱,，流體等,，ANSYS會更關注整個物理環(huán)境的重要點,。

記者：仿真技術如何降低金屬3D打印的成本？
Dave Conover：ANSYS解決方案的核心目的是降低研發(fā)成本,。
①通過這個技術在前期就能分析出來打印后有什么樣的變形,，整個打印件的支撐設計，如何優(yōu)化打印方式,，使得打印出來的變形問題最小化,。
②針對設備，跟設備的結合,，設備的參數,，打印的粉末，用什么樣的掃描策略,，基本上從前期仿真模型到設備,，對應進行優(yōu)化組合，將少參數組合帶來試錯的代價,。
這兩部分是核心,。
例如通過優(yōu)化支撐，把激光或電子束掃描路徑盡可能優(yōu)化,，通過虛擬的傳感器 ,，獲取溫度，這些都是仿真在工藝過程試制上具體價值的體現,。


記者：ANSYS增材制造仿真軟件的使用,，難度怎么樣？
Dave Conover：在國外,，比較新的技術,，主要還是一些專家人員在做。隨著3D打印的推廣,，機器設備的應用,，包括后面需要材料專家評判打印出來的產品性能，需要從物理層面做仿真分析,，難度是不同的,。簡單的應用，如可以操作機器設備的操作員或工藝工程師,，需要打印出來一個零部件,，就可以使用相關的工具在不需要了解太多技術背景情況下就可以很快仿真分析出計算結果，幫助到真實打印中,。增材科學模塊門檻就比較高,，通過該模塊，可以做材料的微觀分結構分析,，幫助判斷設備本身的集成性,。
概括來說,，ANSYS增材制造仿真工具主要分三塊：
①workbench 增材分析模塊，這個是為設計者使用的,，使用門檻不高,。
②ANSYS 增材打印模塊，這個是為增材設備操作人員,，工藝工程師使用準備的,，使用門檻低。
③ANSYS 增材研究模塊,，這個是為增材材料專家,， 工藝專家使用準備的，使用門檻相對偏高,。
三塊針對不用的對象和使用者,，有不同的使用要求。

總的來說,，南極熊覺得，安世亞太作為我國最大型的工業(yè)仿真企業(yè),，本身就積累了大量的客戶,。安世亞太與ANSYS的合作由來已久，有20余年的合作歷史,。此次與美國ANSYS在增材先進設計方面的深層合作,，將會把金屬3D打印逐漸深入應用到更廣泛的工業(yè)領域，對我國金屬3D打印應用落地有著重要意義,。

如果你對ANSYS 增材制造工藝仿真套件感興趣,，可聯系安世亞太或南極熊。