一文看懂影響3D打印的軟件有哪些？

魔猴君  知識堂   1604天前

隨著中央政治局常委會會議提出“加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度”，頂層設計為新型基礎設施建設按下“加速鍵”。可以預見，在更強大的新基建基礎設施上，軟件將在我國的工業制造環境中獲得前所未有的良性發展生態環境。

對于3D打印這一數字化特征尤為明顯的制造技術，軟件可以說是解鎖3D打印產業化潛力的基礎。本期，結合Digital Alloys公司總結的軟件信息，魔猴網與大家一起來領略那些影響3D打印的軟件。

3D打印領域的軟件。來源：Digital Alloys 

軟件與數據相互進化

在生產環境中為了有效實施3D打印，需要用于設計、仿真、預處理、任務分配、制造、檢查和質量管理的軟件工具。

l 設計（CAD）

工程師和設計師使用計算機輔助設計（CAD）軟件以數字方式定義零件的三維幾何形狀。在大多數情況下，用于設計3D打印零件的CAD軟件與常規制造所使用的軟件相同。CAD軟件的公司包括Dassault Systemes-達索系統，Siemens-西門子，PTC和Autodesk-歐特克等。對于某些應用，使用針對增材制造的特點進行優化的表面和結構，這優化的方式包括填充復雜的胞元結構，空心特征和添加數字紋理等。在這方面誕生了一些針對性很強的軟件包括歐特克的netfabb, Materialise，nTopology和Zverse等。

喬布斯(Steve Jobs) 曾經說過，21世紀最好的創新是將生物學與技術相交叉。工業制造領域中有很多零部件或機械的設計都是從生物學中得到的靈感，比如說潛艇的設計是從海豚體形或皮膚結構中得到的靈感….這樣的例子在工業領域還有很多很多。

那么，為什么我們需要將生物學的概念引入制造中呢？大自然創造的生物結構巧妙而復雜，人們如何將這些大自然的作品“復制”到工業制造中呢？

日益發展的智能化設計軟件與3D打印技術為我們提供了一條創造仿生結構的捷徑。市場上存在一類特殊的設計軟件，稱為“創成式設計”以及“拓撲優化”（GD / TO）軟件，可定義加載方案，設定邊界條件和設計約束條件下優化零件幾何形狀，以實現所需的性能。該軟件依靠計算機迭代與仿真來完善零件的幾何形狀，將CAD設計規則與來自計算機輔助工程（CAE）工具的仿真相結合。

創成式設計可以幫助設計師優化零件強度重量比，可以模仿自然結構發展的方式，創造出最強大的結構，同時最大限度地減少材料的使用。

例如，人體骨骼具有復雜的內部和外部特征，由硬質外皮（骨皮質）骨形成剛性外層，但還需要允許血管這樣脆弱的組織穿過骨骼內部的蜂窩狀結構。這種蜂窩材料由膠原纖維組成，具有令人難以置信的抗拉強度和抗壓強度。因此，蜂窩結構已經被大量需要輕量化的結構所采用，從飛機渦輪葉片到生活中不起眼的紙板箱中。在所有這些應用中，蜂窩使得零件更堅固和更輕。

創成式設計是一個人機交互、自我創新的過程。根據輸入者的設計意圖，通過”創成式”系統，生成潛在的可行性設計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。

“創成式設計”以及“拓撲優化”GD / TO軟件的領先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西門子的Solid Edge ST10和Paramatters等。

l 模擬（CAE）

產品上市時間的縮短、研發周期的縮短，以及新產品發布速度的提升使制造業用戶面臨著持續增長的創新壓力，當今產品的復雜性和多樣性也在日益提高，這給產品研發帶來了壓力。

通過傳統試錯的方法，已經無法在今天的全球競爭中保持領先的地位，因為這種方式費力、費時并且昂貴，而通過計算機輔助工程（CAE）仿真的力量驅動設計、管理復雜性、預測潛在的問題，已成為產品設計、生產過程，甚至是產品運營過程中不可或缺的環節。

根據安世中德工程仿真高級咨詢專家的寇曉東博士，一方面增材制造為設計帶來的自由度，將仿真的應用提到了產品設計的前端，從設計最早期就發現并解決設計缺陷，增材制造為正向設計提供了工藝基礎；另一方面仿真技術能夠激發增材制造的潛能。

在3D打印的情況下，CAE不僅用于優化設計，而且還用于預測制造過程、優化制造過程和開發新材料。由于3D打印涉及的物理復雜問題，CAE軟件可以幫助緩解質量問題的許多潛在原因。根據安世中德的技術總經理包剛強，增材制造仿真的應用價值體現在改善、減少和開發幾個方面。改善，包括改善金屬增材制造設計流程、對工藝過程的了解、機器生產效率、材料利用率、可重復性和質量；減少，包括減少打印失敗，打印時間，不合格零件，后處理，試錯，設備維護和對環境的影響；開發，包括開發新材料，新機器，新參數，個性化微觀結構和期望的材料屬性。

可以說仿真對于3D打印至關重要，滲透到從建模到前饋控制，再到過程控制、材料開發等3D打印工藝鏈的方方面面。

CAE的子類包括分析結構和熱行為的有限元分析（FEA），以及用于分析流體流動的計算流體動力學（CFD）。FEA和CFD在建模和優化AM過程中都至關重要。

隨著3D打印-增材制造技術的不斷成熟和應用，通過CFD和FEM在制造前預測性能、優化設計并驗證產品行為，零件經過結構流體特性拓撲優化、結構拓撲輕量化以及尺寸優化設計之后通過增材制造技術加工出來。CFD、FEM技術與3D打印-增材制造技術相得益彰，互相成就，共同推動零件實現性能升級。

除了用于改善整體打印質量外，CAE工具在幫助優化諸如打印速度以及能量和材料輸入等參數方面也起著重要作用，這些參數是3D打印經濟學中的重要因素。CAD和CAE的結合變得越來越緊密無縫，建模與仿真的無縫結合正成為大勢所趨，在這方面，歐特克（Autodesk）2019年11月就宣布了與工業仿真軟件企業ANSYS 之間的下一步合作關系，雙方將建立起設計軟件與仿真軟件的無縫互操作性，為制造用戶帶來革命性的設計與工程敏捷性。這種合作可以實現增強創成式設計等新的自動化流程，而自動化的流程將縮短產品上市時間，使多個工程團隊可以更為順暢的地一起工作。

l  制造處理（CAM）

計算機輔助制造（CAM）是使用軟件來控制諸如機床之類的制造設備。CAM軟件將CAD和CAE數據作為輸入，并創建機器指令（G代碼），該指令通過編程以執行精確的加工過程。在3D打印領域，CAM過程涉及五個關鍵步驟：

確定零件構建方向：在零件中確定零件方向的最佳方法取決于多種因素，例如精度和表面光潔度要求、工藝、支撐結構等。CAM可以建議最佳構建方向，但通常也需要用戶輸入。

支撐策略：支持零件有很多不同的方法，最佳的支撐結構取決于其幾何形狀，過程，材料和其他變量。在大多數CAM軟件中，此步驟在很大程度上是自動化的。

加工余量：為了達到所需要的高表面光潔度和精度要求，通常需要預留一定的加工余量。這些余量通過機加工等后加工過程被去除。

零件布局：某些3D打印過程可以一次打印很多零件，分布在整個基板上，也可以堆疊在z軸上。CAM軟件有助于嵌套零件，從而使每次構建的零件數量最大化。

加工策略：完成上述所有步驟并選擇了打印參數后，CAM軟件將生成G代碼，該代碼將發送至打印機以執行打印過程。

目前更高級的工業增材制造用戶通常利用第三方處理工具來獲得更多控制和效率。這種獨立的CAM軟件可以在處理計算要求高、復雜、高分辨率的構建中發揮作用。還允許將一個API與一組不同的3D打印設備一起使用。這些軟件包括Netfab（Autodesk），Magics（Materialise）和Dyndrite。

其中，來自西海岸的創業公司Dyndrite的用于增材制造的新3D幾何內核使用原始的數學表示形式（B樣條曲線，NURBS和B-rep數據）來提供更好的增材加工路徑。通過不依賴STL這樣的數百萬個三角形來定義打印，Dyndrite的解決方案避免了“數據膨脹”，并可以提高打印零件的質量。這意味著通過消除需要修理STL的耗散動量的步驟，從而提高了可重復性并提高了生產速度。

l 工作流程（MES / ERP / PLM）

制造工作流程軟件已在常規供應鏈中使用了數十年。該軟件的類別包括制造執行系統（MES），企業資源計劃（ERP）和產品生命周期管理（PLM）。

走進任何3D打印公司，您將發現同樣的挑戰：很多企業還在使用Excel表格管理整個制造過程，那些包含關鍵數據的Excel電子表格被存儲在各個團隊成員系統的本地硬盤上。唯一集成到業務的其余部分是公司服務器上的文件共享。雖然很多企業正在使用企業資源規劃（ERP）系統，為公司的每個部門提供可視性，但ERP卻是“跳過”車間加工環節的。

然而，隨著3D打印成為制造領域不可或缺的一部分，Excel電子表格的方法很快變得難以為繼。乍一看3D打印似乎只是一個步驟，但是加工中的“黑匣子過程”實際上充滿了離散的操作和數據收集機會，包括打印準備，構建模擬，實時監控和分析，跨機器銜接以及設施的調度，后處理要求等等。

雖然3D打印工藝有著其特定的需求和具體的挑戰，但是如果用戶真的愿意接受3D打印作為一種制造技術，它就不能作為一個孤立的孤島來運作。

正如3D科學谷在《一張圖看懂國際3D打印產業鏈》中所提到的，在過去幾年中，隨著3D打印技術走向工業生產，除了設計軟件和仿真軟件之外，與3D打印相關的軟件中出現了兩個關鍵的新類別：工作流程和安全軟件。工作流程軟件對增材制造工藝來說同樣重要。制造企業在將增材制造技術納入生產的過程中，對工作流程軟件的需求將不斷增加，這類軟件可以管理增材制造過程中所涉及的生產步驟。工作流軟件的前景在過去五年中不斷發展，現在許多軟件供應商都提供了管理增材制造工作流的解決方案。

Materialise、AMFG、3YourMind、Authentise、Link3D、Oqton和其他軟件提供商正在通過重新定義傳統MES來支持管理3D打印工作流程各個方面的軟件產品來滿足3D打印的自動化管理需求。

來源：3D科學谷