2021:3D打印軟件專題報告之《3D打印仿真,、拓?fù)鋬?yōu)化軟件匯總》

2021年,，在一場3D打印會議上,，多位專家強調(diào)了3D打印軟件的重要性,，并指出中國在3D軟件方面的欠缺,。隨后，南極熊去調(diào)研了多家國外內(nèi)的3D打印軟件相關(guān)公司,。

南極熊覺得有必要撰寫一份3D打印軟件專題報告,，希望能夠體現(xiàn)出3D軟件在3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中的重要性，引起更多讀者對3D軟件的重視,，充分發(fā)揮出3D軟件的價值,。也希望讀者能夠在這份報告中找到適合自己的軟件。同時,，3D軟件開發(fā)企業(yè)能夠得到更多資本的助力,，推動3D軟件的成熟和普及。

這份專題報告中所介紹的3D軟件包括：3D設(shè)計軟件,、3D數(shù)據(jù)處理軟件,、3D打印機控制軟件、3D仿真軟件,、計算軟件,、云平臺等等。

下面是專題中《3D打印仿真,、拓?fù)鋬?yōu)化軟件》部分,。包括Altair Inspire、SolidWorks Simulation,、Ansys,、AMProSim-DED、Lattice Simulation,、TOSCA Structure,、Toptimizer、ParaMatters,、nTopology,、Ameba、GENESIS,、Generate,、Isight等

Altair Inspire™
Altair Inspire™能夠?qū)υ霾闹圃飚a(chǎn)品進行靜力學(xué)和動力學(xué)的拓?fù)鋬?yōu)化和仿真從而實現(xiàn)輕量化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果的快速自動幾何重構(gòu),。針對3D打印的點陣結(jié)構(gòu)生成（基于性能的填充和單胞結(jié)構(gòu)均勻填充）,。

Altair Inspire Print3D可用于實現(xiàn)選擇性激光熔融 (SLM) 部件的設(shè)計和過程仿真。
Altair Inspire Cast可滿足從產(chǎn)品設(shè)計師到鑄造工程師在內(nèi)的各類用戶的需求,。從早期設(shè)計階段開始,，用戶即可直觀地發(fā)現(xiàn)各類典型鑄造缺陷，如裹氣,、縮松,、冷隔、模具性能下降等,；還可糾正這些缺陷,，從而避免高昂的下游修正成本。導(dǎo)向性工藝模板提供了 5 個簡單的步驟,，用于仿真金屬芯重力鑄造,、砂芯重力鑄造、熔模鑄造,、高壓鑄造,、低壓鑄造和傾斜澆注工藝。Altair Inspire Cast 的創(chuàng)新體驗讓用戶可以提升產(chǎn)品質(zhì)量,，并在經(jīng)過簡單地培訓(xùn)后即可設(shè)計出更好的產(chǎn)品,。
Altair Inspire™系列產(chǎn)品覆蓋整個增材制造從設(shè)計到工藝制造完整開發(fā)流程的各個方面，通過仿真驅(qū)動設(shè)計制造的方式提升增材制造的產(chǎn)品能級與工藝可靠性,。

Altair Inspire能夠進行靜力學(xué)和動力學(xué)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計,，點陣結(jié)構(gòu)的生成，針對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果快速,、高質(zhì)量地生成可用于打印生產(chǎn)的幾何模型,。
Altair Inspire Print3D的仿真結(jié)果覆蓋打印過程，基板切除,，冷卻與回彈整個過程,。能夠查看和動畫顯示包括應(yīng)力，位移,，熱等多種結(jié)果,。
Altair Inspire Cast 從早期設(shè)計階段開始，用戶即可直觀地發(fā)現(xiàn)各類典型鑄造缺陷，如裹氣,、縮松,、冷隔、模具性能下降等,；還可糾正這些缺陷,，從而避免高昂的下游修正成本。

代表客戶及案例
法國航空供應(yīng)商SOGECLAIR 公司使用粉末粘結(jié)結(jié)合鑄造的增材制造技術(shù)生產(chǎn)飛機艙門,，使用 Altair Inspire 進行拓?fù)鋬?yōu)化,，Altair OptiStruct 進行有限元分析，Altair軟件產(chǎn)品的高效和精確使得最終的產(chǎn)品重量大幅減輕,、降低了成本,，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

3i-PRINT項目聯(lián)合Altair在內(nèi)的六家公司,，借助大眾Caddy概念車,，演示增材制造技術(shù)的可行性，Altair提供軟件方案,，用于汽車前艙機構(gòu)件的設(shè)計,、優(yōu)化、模擬及研發(fā)工作,。在成功完成該概念產(chǎn)品的模擬及設(shè)計后,，APWORKS負(fù)責(zé)確定該3D打印結(jié)構(gòu)件的最終尺寸。

M&H CNC-TECHNIK GmbH公司使用Inspire Print3D 進行打印過程仿真,、Inspire Print3D 大大增強了制造前評估設(shè)計和客戶零件的能力,，對打印過程中出現(xiàn)的任何問題能夠做出相應(yīng)的反應(yīng)。對于企業(yè)來說第一次就能正確制造出獨特的零件是一種競爭優(yōu)勢,。

Altair Inspire 官方鏈接：https://www.altair.com/Inspire/

Ansys
ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件,，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計（CAD,，computer Aided design）軟件接口,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo, NASTRAN,、Algor,、I－DEAS、AutoCAD等,。是融結(jié)構(gòu),、流體、電場,、磁場,、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道,、石油化工,、航空航天、機械制造,、能源,、汽車交通,、國防軍工,、電子、土木工程,、造船,、生物醫(yī)學(xué)、輕工,、地礦,、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,。ANSYS功能強大,，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件,，在歷年的FEA評比中都名列第一,。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)軟件,。

Ansys 官方鏈接：https://www.ansys.com/

AMProSim-DED
AMProSim-DED是安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開發(fā)的面向金屬增材制造定向能量沉積工藝（DED）的專業(yè)工藝仿真系統(tǒng),。本系統(tǒng)基于ANSYS求解器，考慮溫度相關(guān)的材料非線性屬性,，基于工藝文件的運動路徑信息,，模擬增材工藝的材料堆積過程，可以詳細(xì)模擬零件分區(qū),、打印路徑以及熔融冷卻的相變過程對增材制造過程的影響,，預(yù)測增材制造過程中的溫度、應(yīng)力和變形,，優(yōu)化工藝參數(shù),，從而保證打印質(zhì)量和打印效率，避免低效的試錯過程,。

增材工藝仿真分析系統(tǒng)AMProSim-DED提供增材工藝,、熱處理工藝仿真的相關(guān)分析功能：
（1）可模擬增材制造工藝、熱處理工藝過程,，獲得其溫度,、變形以及應(yīng)力的分布；
（2）解讀路徑文件，提供路徑規(guī)劃軟件數(shù)據(jù)接口,，可以將打印程序的控制指令信息轉(zhuǎn)換為仿真可以讀取的路徑數(shù)據(jù)表,，直接考慮掃描路徑進行增材工藝仿真；
（3）系統(tǒng)內(nèi)置10種材料,，如17-4PH,、316L、304,、In627,、In718、TC4,、TC11,、TA15、AlSi10Mg,、 AlSi7Mg等,，并支持自定義，考慮溫度相關(guān)的材料熱學(xué),、力學(xué)屬性,；
（4）瞬態(tài)熱分析：根據(jù)掃描路徑的材料堆積過程，模擬在熱源作用下材料的熔凝過程,，來計算制件在增材制造過程中隨時間變化的熱傳遞行為,；
（5）應(yīng)力分析：考慮材料的非線性行為以及基板實際約束條件，通過熱應(yīng)力耦合分析來進行增材制造過程的變形以及應(yīng)力分析,。

增材工藝仿真分析系統(tǒng)AMProSim-DED的優(yōu)勢體現(xiàn)在：
1)采用模塊化布局設(shè)計,、向?qū)�式�?yīng)用流程，操作界面簡潔易用,，可面向非仿真專業(yè)人員進行增材工藝過程的仿真分析,；
2)可以詳細(xì)考慮增材工藝參數(shù)；
3)解讀路徑文件,，提供路徑規(guī)劃軟件數(shù)據(jù)接口,，直接考慮掃描路徑進行增材工藝仿真；
4)考慮熔凝相變物理過程以及工藝環(huán)境,，計算增材工藝過程瞬態(tài)溫度場,；
5)考慮材料的非線性行為以及基板實際約束條件，計算打印過程變形應(yīng)力應(yīng)變,，實現(xiàn)控形仿真,；
6)可模擬熱處理過程，包括溫度場和變形應(yīng)力,；
7)計算效率高,，可適用與實際大件的計算,。

Lattice Simulation點陣結(jié)構(gòu)分析
Lattice Simulation是安世亞太自主研發(fā)的一款用于增材點陣結(jié)構(gòu)分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計兩種方式,，已集成在ANSYS add-in擴展工具中,。基于多尺度算法,，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對點陣結(jié)構(gòu)進行有限元分析,。并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學(xué)分析后,，可以通過局部分析對胞元結(jié)構(gòu)進行詳細(xì)的應(yīng)力校核,。

圖1  點陣結(jié)構(gòu)分析工具功能

圖2  Workbench點陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程

Lattice Simulation提供增材點陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能：
（1）均質(zhì)化分析�,；�于胞元結(jié)構(gòu)類型及在空間上的周期排列特性,，進行均質(zhì)化計算,，提取等效實體的材料力學(xué)特性,。
（2）宏觀分析。采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù),，并對等效實體點陣結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析,，校核點陣結(jié)構(gòu)剛度性能。
（3）細(xì)觀校核,�,？紤]胞元外部邊界條件（采用應(yīng)變加載），對其進行詳細(xì)的應(yīng)力分析,，校核點陣胞元結(jié)構(gòu)強度性能,。

圖3  多尺度算法原理圖

圖4  多尺度分析流程圖

TOSCA軟件
TOSCA Structure是德國Fe-design公司開發(fā)的目前在國際上處于領(lǐng)先地位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件系統(tǒng)，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車,、航空,、機械制造、加工工業(yè)等眾多領(lǐng)域,，并被奧迪,、寶馬等世界知名公司所采用，作為其進行產(chǎn)品虛擬開發(fā)的軟件工具,。

OSCA Structure 是標(biāo)準(zhǔn)的無參結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng),，可以對具有任意載荷工況的有限元模型進行拓?fù)洹⑿螤詈图訌娊顑?yōu)化,。在優(yōu)化過程中,，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的每一迭代過程均在外部求解器中進行結(jié)構(gòu)分析,，通過采用眾多業(yè)界認(rèn)可的優(yōu)化器進行優(yōu)化求解,，保證了優(yōu)化結(jié)果的高質(zhì)量,。 這樣做的另一大優(yōu)點是用戶可以在自己熟悉的求解器以及前后處理環(huán)境下工作，而不需培訓(xùn)來熟悉另外一個陌生的軟件環(huán)境,。通過 TOSCA Structure內(nèi)部各程序的相互作用可以完成新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在CAD/CAE系統(tǒng)中從概念到成品的閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計過程,。

TOSCA Strcuture  結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)由Topology，Shape,，Bead,，Smooth，Gui等幾個主要的模塊組成,。

TOSCA Strcuture 官方鏈接：https://www.3ds.com/products-ser ... cts/tosca/structure

Toptimizer
Toptimizer是一款通過Web瀏覽器在線使用的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件,，可幫助用戶快速開發(fā)創(chuàng)新型、輕量化且結(jié)構(gòu)高效型設(shè)計,。
Toptimizer簡單易用,，沒有拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)驗的用戶也可以快速掌握，快速地完成結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,。

Simright Toptimizer主要特性
1,、基于Web瀏覽器，可隨時隨地使用,，無需安裝軟件,；
2、簡單易用,，適用于CAE初學(xué)者及高級用戶,，幾分鐘就可以掌握，5分鐘即可完成一次拓?fù)鋬?yōu)化計算,；
3,、強大的自動化網(wǎng)格劃分功能；
4,、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果支持光順化和導(dǎo)出STL格式,。
Simright Toptimizer支持的格式
STEP (.step, .stp) (recommended)、IGES (.iges, .igs),、ACIS (.sat),、Parasolid (.x_t, .x_b)、SolidWorks (.SLDPRT),、CATIA (.catpart),、CREO/PROE/UG (.prt)、INVENTOR (.ipt),、JT (.jt),、Rhino (.3dm)。

Simright Toptimizer 官方鏈接：https://www.simright.com/apps/simright-toptimizer

ParaMatters
美國ParaMatters是一家用于創(chuàng)成式設(shè)計,，自動拓?fù)鋬?yōu)化,，零件整合和輕量化的軟件供應(yīng)商,。Paramatters的人工智能驅(qū)動的軟件提供了業(yè)界最好的性能和輕量化結(jié)果，在數(shù)分鐘/小時內(nèi)獲得可制造的設(shè)計,，而不是數(shù)周/數(shù)月,。

無限制的創(chuàng)成式設(shè)計解決方案，可以適用于增材制造和傳統(tǒng)制造,。
增材制造工藝包括：

• FDM/FFF（考慮各向異性的剛度和強度）
• SLS/MJF/DMLS/SAF（考慮各向同性的剛度和各向異性的強度）
• SLA/DLP (考慮各向同性的剛度和強度)
• 多材料設(shè)計
• 傳統(tǒng)制造工藝包括：
• 壓鑄和熔模鑄造
• 注塑成形
• 數(shù)控銑削（3軸和5軸）
• 擠出成形
  

ParaMatters 官方鏈接：https://paramatters.com/

nTopology
nTopology是Stratasys旗下的新一代的設(shè)計和工程軟件,。這一工具有助于提高現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)率。您可以自動化設(shè)計的 3D 打印工裝夾具,，以簡化您在設(shè)計階段的時間投入,，同時可以利用DFAM原理，在材料成本和工程時間方面取得節(jié)省,。通過這個工具,，生成定制的工裝夾具僅需要簡單的幾次鼠標(biāo)點擊。

nTopology 官方鏈接：https://ntopology.com/

Ameba
謝億民院士領(lǐng)導(dǎo)的中國團隊——謝億民科技,，根據(jù)他提出的雙向漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）,，研發(fā)了基于該算法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計軟件Ameba。用戶可根據(jù)設(shè)計需要,，對初始設(shè)計區(qū)域施加力學(xué)等邊界條件,，通過軟件計算進行優(yōu)化，求解時設(shè)計區(qū)域會像變形蟲那樣進化成各種形狀,，最終獲得傳力合理且仿生的形態(tài)。Ameba獲得2020全球數(shù)字未來大會“最具影響力的數(shù)字工具年度獎”(“The Most Influential Digital Tool of the Year”),。

Ameba基于雙向漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）理論,，不僅可以刪除低效單元，同時可以在材料“高效能”（如材料應(yīng)力較高）區(qū)域增加單元,，這種即可刪減又可添加單元的策略使得漸進優(yōu)化法的優(yōu)化能力變得更強,。


Ameba致力于成為工程設(shè)計領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)力工具，團隊將為大部分CAD平臺進行適配,，讓用戶從設(shè)計到仿真優(yōu)化良好體驗,。目前Ameba在創(chuàng)作更為自由的Rhino平臺已推出了V2.0更新版本。

Ameba采用云計算服務(wù),。開發(fā)團隊在服務(wù)器集群部署高性能并行計算程序,，用戶可以即時獲得優(yōu)化結(jié)果，當(dāng)計算規(guī)模較大時,，整個計算過程盡管時間較長,，但不會影響到用戶本地計算機，并且計算文件均為自動回傳至本地,，與Rhino進程分離,，保證服務(wù)的穩(wěn)定性,。

Ameba擁有強大的網(wǎng)格優(yōu)化功能。Ameba不僅具有拓?fù)鋬?yōu)化功能,，還有強大的網(wǎng)格優(yōu)化功能,。它可以將任意相交的幾何體優(yōu)化成一個有機的網(wǎng)格模型，可以將雜亂無章拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)格優(yōu)化成均勻的純四邊形網(wǎng)格或純?nèi)�角形網(wǎng)格,。
拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果非常適合3D打印,，在沒有工藝約束的情況下，3D打印是比較好的選擇,。

Ameba 官方鏈接：http://ameba.xieym.com


MSC /Hexagon Simufact Additive
憑借獨特的模擬,、仿真優(yōu)化解決方案引領(lǐng)增材制造市場。
Simufact 是一款強大的金屬塑性成形,、焊接,、熱處理工藝仿真平臺，可以實現(xiàn)鍛造焊接熱處理全工藝鏈仿真,，在汽車行業(yè)工藝鏈仿真領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,。
Simufact 在汽車行業(yè)主要應(yīng)用于多工步鍛壓工藝鏈仿真、沖壓 ←→ 焊接工藝鏈仿真,、鉚接 → 機械性能（剪切,、拉伸）工藝鏈仿真等金屬成形 → 組裝焊接工藝鏈仿真。
Simufact 解決方案擁有 3 條產(chǎn)品線：Simufact Forming,、Simufact Welding 和 Simufact Additive,，可提供金屬成形及機械連接、焊接,、增材制造工藝過程仿真分析解決方案,。


專為金屬增材制造工藝開發(fā)的仿真軟件“Simufact Additive”，除了可對造型中的熱變形實施預(yù)測仿真以外,，還具備與從打印床切斷部件,、去除支撐結(jié)構(gòu)、熱等靜壓(HIP)等工藝有關(guān)的功能,。憑借這些功能,，在生產(chǎn)階段便無需反復(fù)嘗試，可高效率實施造型,，節(jié)省時間和成本,。另外，MSC公司成今后還將為該軟件配備熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,、溫度履歷管理,、基于拓?fù)鋵W(xué)優(yōu)化的造型形狀設(shè)計、支撐材料設(shè)計等功能模塊,。
仿真示例,，切斷支撐部后支架的變形 ,。
3D打印機在產(chǎn)品開發(fā)中運用得越來越多，但同時也存在故障導(dǎo)致造型中斷,、無法按照CAD給出的形狀實施造型等問題,。因此，MSC開始提供使用仿真技術(shù)來設(shè)計造型形狀及支撐結(jié)構(gòu)的解決方案,，為解決這些問題提供支援,。

https://www.mscsoftware.com/zh-h ... itive-manufacturing


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