用仿真技術(shù)賦能增材制造
? ? ? 隨著3D打印日漸普及，其應(yīng)用領(lǐng)域正由快速原型打印擴展到工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，直接打印出生產(chǎn)工具乃至零部件變得越來越稀松平常。一定程度上，3D打印不僅是一種新工藝手段，更是新一輪產(chǎn)業(yè)革命中改變?nèi)祟惿a(chǎn)和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系，其背后的增材思維正在帶來一場釋放自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的革命。
? ? ? 在這場革命中，金屬3D打印正在成為重要的發(fā)展方向，并蘊含著潛力巨大的市場機會。ANSYS結(jié)構(gòu)產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)Dave Conover先生日前接受e-works記者采訪時指出，金屬3D打印正在成為一種廣泛應(yīng)用的制造工藝，同時改變著企業(yè)向市場投放產(chǎn)品的方式。而仿真技術(shù)將有助于應(yīng)對金屬3D打印的相關(guān)風(fēng)險，從而在未來打印出功能更強大、更輕量化的產(chǎn)品和部件。
? ? ??3D打印技術(shù)可以快速制造出各種模型，靈活性極高且浪費少，正在被越來多的企業(yè)采納。特別是對于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)和個性化需求，3D打印顯得比傳統(tǒng)模型制造更適用。相比減材和等材制造，增材制造無模具、無工裝，但它絕不僅僅是一種新的制造加工工藝方法，而是科技革命和產(chǎn)業(yè)革命中將會改變?nèi)祟惿a(chǎn)方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)體系。隨著金屬材料和增材制造技術(shù)的發(fā)展成熟，金屬3D打印正越來越多被應(yīng)用于工業(yè)航空、汽車、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。各種金屬粉料的突破給3D打印帶來新的機遇，金屬3D打印正在嘗試進入更多的應(yīng)用領(lǐng)域，并激發(fā)出巨大的市場空間。可以說，金屬3D打印是未來制造的最大趨勢之一，越來越多的企業(yè)開始探索和發(fā)力，包括3D Systems、Desktop Metalis、EOS、雷尼紹、Stratasys等主流3D打印廠商均在積極布局金屬3D打印領(lǐng)域。? ? ??但不能否認，金屬3D打印技術(shù)快速發(fā)展的同時，依然有很多問題需要克服。金屬3D打印過程中，高強度激光束沿著CAD軟件制定的打印路徑照射在粉末床上將金屬粉末逐層熔融成部件。隨著激光熱源的移動，金屬粉末熔化，凝固，與前一層熔合為一體。由于金屬3D打印需要使用激光來優(yōu)化各種應(yīng)用的密度，其快速加熱和冷卻產(chǎn)生的應(yīng)力容易導(dǎo)致缺陷和變形。其次，打印過程中也會意外導(dǎo)致金屬熔化，從而造成產(chǎn)品故障。總的來說，在現(xiàn)階段的技術(shù)水平下，金屬3D打印充滿了挑戰(zhàn)性，金屬的相變、冷卻速度以及其他3D打印參數(shù)如打印速度都將影響金屬粉末熔融凝固及其微觀結(jié)構(gòu)。
? ? ??在Dave Conover看來，增材制造和工程仿真技術(shù)的融合可以幫助降低這些風(fēng)險，并提高生產(chǎn)更輕、更堅固金屬部件的可能性。具體看來，仿真技術(shù)能夠在生成功能設(shè)計、生成柵格結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)標定、打印過程優(yōu)化、產(chǎn)品性能預(yù)測等各個環(huán)節(jié)賦能增材制造。Dave Conover說，“金屬增材制造不僅僅是個工藝技術(shù)，更多的是一種增材思維。通過對增材工藝過程的仿真，可以預(yù)測金屬部件最終的殘余應(yīng)力和變形，從而優(yōu)化工藝參數(shù)，保證打印質(zhì)量和效率而避免低效的試錯過程，直至幫助企業(yè)把產(chǎn)品制造出來。”
? ? ??這也是ANSYS并購3DSIM技術(shù)，推出完整的增材制造仿真工作流程的主要原因。2017年11月，ANSYS宣布成功收購高級增材制造仿真技術(shù)提供商3DSIM。據(jù)公開的資料顯示，3DSIM專門為金屬增材制造領(lǐng)域研發(fā)功能強大的仿真軟件。3DSIM的軟件工具可幫助制造商、設(shè)計人員、材料科學(xué)家和工程師通過仿真驅(qū)動的創(chuàng)新實現(xiàn)目標，而無需進行繁瑣的物理試錯法。3DSIM的客戶涵蓋航空航天、汽車OEM廠商、部件制造商、金屬增材制造機械生產(chǎn)商以及行業(yè)領(lǐng)先的研究實驗室。總部位于猶他州的3DSIM通過模擬驅(qū)動的創(chuàng)新而不是物理的反復(fù)試驗，這一知識被引入發(fā)展有限元分析軟件，從而發(fā)揮增材制造的優(yōu)勢。3DSIM的產(chǎn)品包括exaSIM和FLEX。exaSIM軟件可以幫助用戶實現(xiàn)零件公差，避免打印失敗，無需進行物理實驗；FLEX則用于查找特定增材制造機器和材料組合的理想工藝參數(shù)。
? ? ? 并購3DSIM之后，Dave Conover認為ANSYS在增材制造領(lǐng)域的有兩大優(yōu)勢：首先是拓撲優(yōu)化領(lǐng)域。ANSYS在拓撲優(yōu)化領(lǐng)域有強大的基礎(chǔ)和積累，而市場上很多其他解決方案缺乏對物理場涵蓋的全面性。其次是解決方案的完整性。從材料、設(shè)計、拓撲優(yōu)化再到校核、工藝過程仿真，ANSYS強調(diào)的是一整套流程，而市場上很多其他方案是孤立的。Dave Conover說，“通過將exaSIM和FLEX納入我們的Workbench平臺，ANSYS能為客戶提供目前市場上唯一一款端到端的增材制造仿真工作流程。這將幫助不同產(chǎn)業(yè)的客戶促進創(chuàng)新，加速產(chǎn)品上市進程，并降低制造成本。”
?? ? ? 在中國市場，ANSYS通過安世亞太獨家推廣增材制造工藝仿真技術(shù)。安世中德咨詢公司技術(shù)總經(jīng)理包剛強介紹，安世亞太與ANSYS在金屬增材制造領(lǐng)域的合作主要基于三個方面：? ? ??首先是拓撲優(yōu)化的合作。從ANSYS17.0一直到即將發(fā)布的ANSYS19.0，安世亞太結(jié)合中國用戶對拓撲優(yōu)化的需求提出研發(fā)的建議，包括拓撲優(yōu)化的核心算法、拓撲優(yōu)化將來的形貌優(yōu)化等等，同時安世亞太與ANSYS一起提供相關(guān)的培訓(xùn)，將拓撲優(yōu)化的方法盡可能普及給中國用戶；
? ? ??其次，將ANSYS在全球基于增材設(shè)計優(yōu)化的案例帶到中國，幫助中國企業(yè)在金屬增材制造的實現(xiàn)過程中找到關(guān)鍵技術(shù)點，助力智能制造的實現(xiàn)進程；
? ? ??第三，安世亞太是ANSYS增材制造工藝仿真技術(shù)在中國的獨家合作伙伴，ANSYS在技術(shù)和開發(fā)方面給予安世亞太大量的支持。安世亞太同時得到ANSYS全球?qū)＜业闹С郑餐_展增材制造工藝仿真的推廣。在合作的基礎(chǔ)上，安世亞太部署了具體的四大舉措，以推動增材制造工藝仿真技術(shù)在中國的落地：
? ? ??一是通過高校培訓(xùn)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(yīng)的培訓(xùn)標準，方法和體系做對應(yīng)的對接規(guī)劃。。長城計劃即將推出增材先進設(shè)計的課程，課程覆蓋有限元分析、優(yōu)化技術(shù)、增材制造工藝過程，乃至整個增材先進設(shè)計方法、思路、體系，通過高校畢業(yè)生更好地將增材先進設(shè)計和仿真方法帶入到企業(yè)中去。
? ? ? 第二，傳播專業(yè)的內(nèi)容。2018年作為雙方推進增材先進設(shè)計解決方案的開端，安世亞太將提供增材制造工藝仿真解決方案的專業(yè)內(nèi)容，分享給相關(guān)用戶。除此之外，還會有系列的市場活動安排，包括參與增材制造領(lǐng)域的展會等，將增材制造工藝仿真解決方案通過更多的渠道傳遞給企業(yè)。
? ? ? 第三，組織系列的培訓(xùn)。安世亞太既可以給企業(yè)提供免費的培訓(xùn)，也可以提供定制化的收費培訓(xùn)，包括CAE高級應(yīng)用專題、拓撲優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、增材工況過程仿真等等課程。
? ? ? 第四，提供專業(yè)的服務(wù)。通過具體的合作，與用戶一起把增材先進設(shè)計的思路從頭到尾實踐一遍，包括從材料選擇、產(chǎn)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、生產(chǎn)制造、試驗等等。通過專業(yè)的服務(wù)，幫助企業(yè)實踐整套流程以應(yīng)用到他們的產(chǎn)品生產(chǎn)制造中。
