李開復(fù)先生在《人工智能》這本書中提到柯潔與AlphaGo的對弈，對中國人產(chǎn)生了強(qiáng)烈的心理刺激，人們認(rèn)為AlphaGo的勝利既是挑戰(zhàn)，又是激勵。這一天成了中國人工智能的“斯普特尼克時刻”。

“斯普特尼克時刻”本來是用來形容美國人在蘇聯(lián)于1957年10月發(fā)射的世界第一顆人造衛(wèi)星所產(chǎn)生的焦慮，由此出發(fā)，美國設(shè)立了國家航空航天局(NASA)，并開始對數(shù)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域給予了空前絕后的重視。

其實，3D打印作為正在掀起的新的工業(yè)革命的引擎技術(shù)，也有著它的“斯普特尼克時刻”。簡而言之，這個“斯普特尼克時刻”是由GE創(chuàng)造的，GE通過3D打印制造的噴油嘴，在2014年獲得了FAA的認(rèn)證，而通過3D打印技術(shù)制造噴油嘴，將原來20多個零件變?yōu)?個零件，為GE減少了95%的庫存，降低了30%的成本，并提升了2.5倍的生產(chǎn)力。

最具心理刺激作用的是，通過增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍, 并且提高了GE的LEAP發(fā)動機(jī)的性能。GE為了滿足加工需求在Auburn, Alabama開設(shè)專門的增材制造工廠，預(yù)計到2020年將生產(chǎn)10萬個噴油嘴，增材制造成為GE航空的長期戰(zhàn)略。

由此出發(fā)，各個國家對3D打印作為增材制造技術(shù)給予了極高的重視。因為政府明白了，這項技術(shù)不是簡單的制造技術(shù)，3D打印撬動的是產(chǎn)品的再設(shè)計，對應(yīng)的是制造領(lǐng)域關(guān)于生產(chǎn)效率的競爭升級到關(guān)于產(chǎn)品性能優(yōu)化的競爭。

不過正如李開復(fù)老師提到的人工智能的發(fā)展道路經(jīng)歷了炒作期，寒冬期，冷凍期，蘇醒期，回暖期一樣，人工智能發(fā)展的路上有著太多的“再過5年”才會到來的期盼，5年復(fù)5年，直到深度學(xué)習(xí)在最近幾年才有了長足發(fā)展，這場革命才終于到來。人工智能會在各個領(lǐng)域取代人工，顛覆勞動力市場，對人們產(chǎn)生深刻的社會心理影響。

這其實就是每一場革命的真實面目，我們以為革命是以暴風(fēng)驟雨，橫掃一切般的降臨模式出現(xiàn)，但其實革命的到來卻像一個不受大眾待見的"怪胎“，不僅一開始立足點(diǎn)十分窘迫有限，還面臨著隨時夭折的危險。

3D打印的發(fā)展由于涉及到的因素非常多，包括人的認(rèn)知與接受水平，材料技術(shù)，激光技術(shù)，仿真，監(jiān)測，檢測，人工智能，數(shù)字雙胞胎等等，從文化到硬件，從硬件到軟件，3D打印領(lǐng)域需要更多的“斯普特尼克時刻”才能積聚社會的力量推動其良性的發(fā)展。

金屬3D打印包括直接金屬3D打印和間接金屬3D打印。

直接金屬3D打印我們通?？梢酝ㄋ椎姆譃殇伔叟c送粉（或送絲）兩大類。

鋪粉方面，金屬粉末床熔融（PBF）是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術(shù)。PBF被認(rèn)為是一種直接的金屬3D打印技術(shù)，包括激光熔化（SLM, DMLS)和電子束熔化(EBM)兩種加工方式，目前激光熔融方式被更廣泛的使用。在這個領(lǐng)域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購的Concept Laser和Arcam、德國EOS、德國SLM Solutions、英國Renishaw、以及進(jìn)入到PBF領(lǐng)域的機(jī)床廠商德國通快，以及德馬吉森精機(jī)等。

還有一種直接金屬3D打印技術(shù)（DED － 定向能量沉積技術(shù))另一種應(yīng)用工藝。

當(dāng)然還有一種將LENS技術(shù)集成到CNC加工設(shè)備中的混合增材制造技術(shù)。

間接金屬3D打印技術(shù)，故名思意是指通過金屬3D打印過程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過高溫爐的熱處理過程將金屬零件中的化學(xué)物質(zhì)去除，從而獲得致密的金屬零件。

當(dāng)然，當(dāng)前間接金屬3D打印技術(shù)包括多種不同的技術(shù)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究一大類是以惠普，Exone,Desktop Metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting（粘結(jié)劑噴射）技術(shù)，另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術(shù)，第三類是例如Prodways與CEA Tech LITEN 開發(fā)的以樹脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類是熔融長絲制造技術(shù)。

本文先聚焦到比較流行和常用的SLM粉末床熔化工藝上，SLM金屬增材制造工藝仿真是一個非常復(fù)雜的典型多尺度和多物理場的分析過程。多尺度體現(xiàn)在從宏觀尺度到介觀尺度再到微觀尺度的多尺度分析；多物理場則需要對包含成型溫度場、氣場(保護(hù)氣體)、熔體流場(熔池流體)、速度場(鋪粉過程)、及打印結(jié)構(gòu)的固體應(yīng)力和變形場等多物理場的分析，多物理場作用滲透在金屬增材制造成型的每個階段。

宏觀尺度的仿真分析主要是針對零件成型的工藝仿真，對成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變、成型溫度場以及成型過程中可能存在的風(fēng)險給出仿真預(yù)測。宏觀分析的對象是打印件自身和工藝設(shè)計的支撐對象，也可能包括基板和必要的機(jī)器設(shè)備信息如激光光源。根據(jù)工藝仿真算法的不同，目前又可以分為基于溫度與結(jié)構(gòu)耦合的工藝過程仿真和基于固有應(yīng)變算法的工藝過程仿真。

介觀尺度的仿真分析主要是針對熔池和粉末的分析，包括熔池流動性、熔池大小形貌以及粉末的流動性、粉末傳熱和熔化后的蒸發(fā)、飛濺等現(xiàn)象，考慮熔池內(nèi)部的表面張力、毛細(xì)、浸潤，考慮馬蘭格尼對流，目前主要有等效熱耦合和CFD等方法應(yīng)用于該分析，通過熔池動力學(xué)預(yù)測溶化過程尤其重要的凝固過程，獲取相變歷程、溫度及溫度梯度歷程包括凝固冷卻速率。

微觀尺度的仿真通過獲取宏觀或介觀尺度分析得到的溫度梯度或凝固冷卻速率，針對金屬增材制造后的晶體組織形態(tài)、晶粒大小與取向以及缺陷和性能預(yù)測等內(nèi)容的分析，目前主要用到的重要方法包括相場法（Phase Field）、自動元胞機(jī)（Cellaur Automaton）等，不同的方法各有特點(diǎn)和限制。

金屬增材制造過程中涉及到的多尺度和多物理場

宏觀尺度的工藝過程仿真

目前應(yīng)用于宏觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種，即溫度與結(jié)構(gòu)耦合的(熱彈塑性)有限元分析方法和固有應(yīng)變有限元分析方法。宏觀尺度工藝過程仿真分析結(jié)果通常包括：部件和支撐變形和殘余應(yīng)力（去除支撐前/去除支撐后）；逐層應(yīng)力和變形；變形補(bǔ)償；刮板碰撞檢測；高應(yīng)變區(qū)域；基于應(yīng)力優(yōu)化支撐等。

• ?基于溫度場和結(jié)構(gòu)場解耦分析的工藝過程仿真

SLM過程中，由于熱源的移動性和局部性，溫度分布并不均勻，隨著光斑的快速移動，截面上各點(diǎn)的溫度也會發(fā)生急劇變化，材料性能也隨著溫度變化而變化，因此增材打印的過程中，溫度場是非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對流和輻射問題，且溫度場與打印過程中所用的掃描策略以及打印工藝相關(guān)，溫度場的求解是一個很復(fù)雜的過程。

基于溫度場和結(jié)構(gòu)場的解耦工藝仿真具體過程可描述如下：假設(shè)熱（溫度）和結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）物理過程為弱耦合過程，可以先逐層仿真熱現(xiàn)象，并在后續(xù)的結(jié)構(gòu)仿真中利用節(jié)點(diǎn)溫度來計算結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）。在增材過程仿真中，單元格隨著時間逐層變化，首先用分層的笛卡爾網(wǎng)格將整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，然后采用生死單元技術(shù)層層激活。此時相關(guān)的邊界條件也會發(fā)生變化，比如熱對流表面，邊界條件隨制造過程在內(nèi)部自動更新。當(dāng)所有的單元層都被激活時，就完成了整個仿真過程。

然而這種算法需要先對增材制造過程中各時刻的溫度場進(jìn)行瞬態(tài)分析，需占用大量計算時間和存儲空間。商業(yè)軟件ANSYS Workbench通過對零件的溫度場進(jìn)行逐層計算并累加，然后將溫度場作為初始溫度載荷施加到應(yīng)力場中，對零件逐層進(jìn)行應(yīng)力場求解，最終得到DMD或SLM過程后零件的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

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ANSYS Workbench Additive AM 工藝仿真流程

• ?基于固有應(yīng)變的工藝過程仿真

固有應(yīng)變理論源于焊接的工藝仿真過程，是由日本的學(xué)者提出的。所謂固有應(yīng)變可以看成是內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生源。若將物體處于既無外力也無內(nèi)力的狀態(tài)看作為基準(zhǔn)狀態(tài),固有應(yīng)變ε＊就是表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時,與基準(zhǔn)狀態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變,它等于總的變形應(yīng)變ε減去彈性應(yīng)變εe，即：
ε＊=ε-εe

在焊接過程中，構(gòu)件受到不均勻加熱并且產(chǎn)生塑性變形時，則固有應(yīng)變即為熱應(yīng)變εp、塑性應(yīng)變εT和相變εX之和，即：

ε＊ =εP +εT +εX

固有應(yīng)變存在于焊縫及其附近, 固有應(yīng)變的大小和分布就決定了最終的殘余應(yīng)力和變形。固有應(yīng)變有限元方法著眼于焊接以后在焊縫和近縫區(qū)存在的固有應(yīng)變(不考慮熔池動力學(xué)以及焊接整個過程中的溫度場)，將固有應(yīng)變作為初始值進(jìn)行一次彈性有限元計算，就可以得到整個焊件的殘余應(yīng)力和變形。金屬增材制造過程可分解成一個個單獨(dú)的焊接過程，因此固有應(yīng)變有限元分析方法同樣適用于金屬增材制造。

利用固有應(yīng)變理論進(jìn)行工藝仿真時，結(jié)合金屬增材制造的具體過程又可以分為以下三種計算模式，即假定均勻應(yīng)變、掃描應(yīng)變和熱應(yīng)變。

• 假定應(yīng)變模式

假定均勻應(yīng)變是假設(shè)在金屬增材制造成型過程中，每個區(qū)域所受到的固有應(yīng)變的大小都是均勻和各向同性的，其大小與材料的屈服強(qiáng)度和彈性模量相關(guān)，即：?

宏觀尺度的工藝過程仿真

目前應(yīng)用于宏觀尺度的金屬增材制造工藝仿真的方法主要有兩種，即溫度與結(jié)構(gòu)耦合的(熱彈塑性)有限元分析方法和固有應(yīng)變有限元分析方法。宏觀尺度工藝過程仿真分析結(jié)果通常包括：部件和支撐變形和殘余應(yīng)力（去除支撐前/去除支撐后）；逐層應(yīng)力和變形；變形補(bǔ)償；刮板碰撞檢測；高應(yīng)變區(qū)域；基于應(yīng)力優(yōu)化支撐等。

• ?基于溫度場和結(jié)構(gòu)場解耦分析的工藝過程仿真

SLM過程中，由于熱源的移動性和局部性，溫度分布并不均勻，隨著光斑的快速移動，截面上各點(diǎn)的溫度也會發(fā)生急劇變化，材料性能也隨著溫度變化而變化，因此增材打印的過程中，溫度場是非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對流和輻射問題，且溫度場與打印過程中所用的掃描策略以及打印工藝相關(guān)，溫度場的求解是一個很復(fù)雜的過程。

基于溫度場和結(jié)構(gòu)場的解耦工藝仿真具體過程可描述如下：假設(shè)熱（溫度）和結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）物理過程為弱耦合過程，可以先逐層仿真熱現(xiàn)象，并在后續(xù)的結(jié)構(gòu)仿真中利用節(jié)點(diǎn)溫度來計算結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）。在增材過程仿真中，單元格隨著時間逐層變化，首先用分層的笛卡爾網(wǎng)格將整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，然后采用生死單元技術(shù)層層激活。此時相關(guān)的邊界條件也會發(fā)生變化，比如熱對流表面，邊界條件隨制造過程在內(nèi)部自動更新。當(dāng)所有的單元層都被激活時，就完成了整個仿真過程。

然而這種算法需要先對增材制造過程中各時刻的溫度場進(jìn)行瞬態(tài)分析，需占用大量計算時間和存儲空間。商業(yè)軟件ANSYS Workbench通過對零件的溫度場進(jìn)行逐層計算并累加，然后將溫度場作為初始溫度載荷施加到應(yīng)力場中，對零件逐層進(jìn)行應(yīng)力場求解，最終得到DMD或SLM過程后零件的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

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ANSYS Workbench Additive AM 工藝仿真流程

關(guān)于安世亞太

安世亞太具有23年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計和增材制造經(jīng)驗，是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)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，在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，提出了基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計和智能制造解決方案，聚焦于打造以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈，以全球視野和格局進(jìn)行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。