李開(kāi)復(fù)先生在《人工智能》這本書(shū)中提到柯潔與AlphaGo的對(duì)弈，對(duì)中國(guó)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(lì)。這一天成了中國(guó)人工智能的“斯普特尼克時(shí)刻”。

“斯普特尼克時(shí)刻”本來(lái)是用來(lái)形容美國(guó)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(guó)設(shè)立了國(guó)家航空航天局(NASA)，并開(kāi)始對(duì)數(shù)學(xué)和科學(xué)領(lǐng)域給予了空前絕后的重視。

其實(shí)，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(shí)刻”。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)“斯普特尼克時(shí)刻”是由GE創(chuàng)造的，GE通過(guò)3D打印制造的噴油嘴，在2014年獲得了FAA的認(rèn)證，而通過(guò)3D打印技術(shù)制造噴油嘴，將原來(lái)20多個(gè)零件變?yōu)?個(gè)零件，為GE減少了95%的庫(kù)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(guò)增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過(guò)熱和積碳的問(wèn)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(dòng)機(jī)的性能。GE為了滿足加工需求在Auburn, Alabama開(kāi)設(shè)專門的增材制造工廠，預(yù)計(jì)到2020年將生產(chǎn)10萬(wàn)個(gè)噴油嘴，增材制造成為GE航空的長(zhǎng)期戰(zhàn)略。

由此出發(fā)，各個(gè)國(guó)家對(duì)3D打印作為增材制造技術(shù)給予了極高的重視。因?yàn)檎靼琢耍@項(xiàng)技術(shù)不是簡(jiǎn)單的制造技術(shù)，3D打印撬動(dòng)的是產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的是制造領(lǐng)域關(guān)于生產(chǎn)效率的競(jìng)爭(zhēng)升級(jí)到關(guān)于產(chǎn)品性能優(yōu)化的競(jìng)爭(zhēng)。

不過(guò)正如李開(kāi)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(guò)5年”才會(huì)到來(lái)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(zhǎng)足發(fā)展，這場(chǎng)革命才終于到來(lái)。人工智能會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域取代人工，顛覆勞動(dòng)力市場(chǎng)，對(duì)人們產(chǎn)生深刻的社會(huì)心理影響。

這其實(shí)就是每一場(chǎng)革命的真實(shí)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(shí)革命的到來(lái)卻像一個(gè)不受大眾待見(jiàn)的"怪胎“，不僅一開(kāi)始立足點(diǎn)十分窘迫有限，還面臨著隨時(shí)夭折的危險(xiǎn)。

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(cè)，檢測(cè)，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(shí)刻”才能積聚社會(huì)的力量推動(dòng)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(gè)領(lǐng)域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購(gòu)的Concept Laser和Arcam、德國(guó)EOS、德國(guó)SLM Solutions、英國(guó)Renishaw、以及進(jìn)入到PBF領(lǐng)域的機(jī)床廠商德國(guó)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(guò)金屬3D打印過(guò)程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過(guò)高溫爐的熱處理過(guò)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(chǎng)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(kāi)發(fā)的以樹(shù)脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類是熔融長(zhǎng)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(gè)非常復(fù)雜的典型多尺度和多物理場(chǎng)的分析過(guò)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(chǎng)則需要對(duì)包含成型溫度場(chǎng)、氣場(chǎng)(保護(hù)氣體)、熔體流場(chǎng)(熔池流體)、速度場(chǎng)(鋪粉過(guò)程)、及打印結(jié)構(gòu)的固體應(yīng)力和變形場(chǎng)等多物理場(chǎng)的分析，多物理場(chǎng)作用滲透在金屬增材制造成型的每個(gè)階段。

宏觀尺度的仿真分析主要是針對(duì)零件成型的工藝仿真，對(duì)成型過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變、成型溫度場(chǎng)以及成型過(guò)程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)給出仿真預(yù)測(cè)。宏觀分析的對(duì)象是打印件自身和工藝設(shè)計(jì)的支撐對(duì)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(guò)程仿真和基于固有應(yīng)變算法的工藝過(guò)程仿真。

介觀尺度的仿真分析主要是針對(duì)熔池和粉末的分析，包括熔池流動(dòng)性、熔池大小形貌以及粉末的流動(dòng)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(rùn)，考慮馬蘭格尼對(duì)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(guò)熔池動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)溶化過(guò)程尤其重要的凝固過(guò)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(guò)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(duì)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(cè)等內(nèi)容的分析，目前主要用到的重要方法包括相場(chǎng)法（Phase Field）、自動(dòng)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(guò)程中涉及到的多尺度和多物理場(chǎng)

宏觀尺度的工藝過(guò)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(guò)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(cè)；高應(yīng)變區(qū)域；基于應(yīng)力優(yōu)化支撐等。

• ?基于溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)解耦分析的工藝過(guò)程仿真

SLM過(guò)程中，由于熱源的移動(dòng)性和局部性，溫度分布并不均勻，隨著光斑的快速移動(dòng)，截面上各點(diǎn)的溫度也會(huì)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(guò)程中，溫度場(chǎng)是非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射問(wèn)題，且溫度場(chǎng)與打印過(guò)程中所用的掃描策略以及打印工藝相關(guān)，溫度場(chǎng)的求解是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。

基于溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的解耦工藝仿真具體過(guò)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(guò)程為弱耦合過(guò)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(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）。在增材過(guò)程仿真中，單元格隨著時(shí)間逐層變化，首先用分層的笛卡爾網(wǎng)格將整個(gè)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(shí)相關(guān)的邊界條件也會(huì)發(fā)生變化，比如熱對(duì)流表面，邊界條件隨制造過(guò)程在內(nèi)部自動(dòng)更新。當(dāng)所有的單元層都被激活時(shí)，就完成了整個(gè)仿真過(guò)程。

然而這種算法需要先對(duì)增材制造過(guò)程中各時(shí)刻的溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，需占用大量計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間。商業(yè)軟件ANSYS Workbench通過(guò)對(duì)零件的溫度場(chǎng)進(jìn)行逐層計(jì)算并累加，然后將溫度場(chǎng)作為初始溫度載荷施加到應(yīng)力場(chǎng)中，對(duì)零件逐層進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)求解，最終得到DMD或SLM過(guò)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(guò)程仿真

固有應(yīng)變理論源于焊接的工藝仿真過(guò)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(wú)外力也無(wú)內(nèi)力的狀態(tài)看作為基準(zhǔn)狀態(tài),固有應(yīng)變?chǔ)牛褪潜碚鲝膽?yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時(shí),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?chǔ)艤p去彈性應(yīng)變?chǔ)舉，即：
ε＊=ε-εe

在焊接過(guò)程中，構(gòu)件受到不均勻加熱并且產(chǎn)生塑性變形時(shí)，則固有應(yīng)變即為熱應(yīng)變?chǔ)舙、塑性應(yīng)變?chǔ)臫和相變?chǔ)臱之和，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(dòng)力學(xué)以及焊接整個(gè)過(guò)程中的溫度場(chǎng))，將固有應(yīng)變作為初始值進(jìn)行一次彈性有限元計(jì)算，就可以得到整個(gè)焊件的殘余應(yīng)力和變形。金屬增材制造過(guò)程可分解成一個(gè)個(gè)單獨(dú)的焊接過(guò)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(shí)，結(jié)合金屬增材制造的具體過(guò)程又可以分為以下三種計(jì)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(guò)程中，每個(gè)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(guò)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(guò)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(cè)；高應(yīng)變區(qū)域；基于應(yīng)力優(yōu)化支撐等。

• ?基于溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)解耦分析的工藝過(guò)程仿真

SLM過(guò)程中，由于熱源的移動(dòng)性和局部性，溫度分布并不均勻，隨著光斑的快速移動(dòng)，截面上各點(diǎn)的溫度也會(huì)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(guò)程中，溫度場(chǎng)是非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射問(wèn)題，且溫度場(chǎng)與打印過(guò)程中所用的掃描策略以及打印工藝相關(guān)，溫度場(chǎng)的求解是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。

基于溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的解耦工藝仿真具體過(guò)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(guò)程為弱耦合過(guò)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(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)（變形和應(yīng)力）。在增材過(guò)程仿真中，單元格隨著時(shí)間逐層變化，首先用分層的笛卡爾網(wǎng)格將整個(gè)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(shí)相關(guān)的邊界條件也會(huì)發(fā)生變化，比如熱對(duì)流表面，邊界條件隨制造過(guò)程在內(nèi)部自動(dòng)更新。當(dāng)所有的單元層都被激活時(shí)，就完成了整個(gè)仿真過(guò)程。

然而這種算法需要先對(duì)增材制造過(guò)程中各時(shí)刻的溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，需占用大量計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間。商業(yè)軟件ANSYS Workbench通過(guò)對(duì)零件的溫度場(chǎng)進(jìn)行逐層計(jì)算并累加，然后將溫度場(chǎng)作為初始溫度載荷施加到應(yīng)力場(chǎng)中，對(duì)零件逐層進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)求解，最終得到DMD或SLM過(guò)程后零件的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

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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(kāi)發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗(yàn)、6年的工業(yè)品先進(jìn)設(shè)計(jì)和增材制造經(jīng)驗(yàn)，是我國(guó)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(guó)內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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。