一文看懂影响3D打印的软件有哪些

    随着中央****局常委会会议提出“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”，顶层设计为新型基础设施建设按下“加速键”。可以预见，在更强大的新基建基础设施上，软件将在我国的工业制造环境中获得前所未有的良性发展生态环境。

    对于3D打印这一数字化特征尤为明显的制造技术，软件可以说是解锁3D打印产业化潜力的基础。本期，结合Digital Alloys公司总结的软件信息，3D科学谷与谷友一起来领略那些影响3D打印的软件。

软件与数据相互进化

    在生产环境中为了有效实施3D打印，需要用于设计、仿真、预处理、任务分配、制造、检查和质量管理的软件工具。

l 设计（CAD）

    工程师和设计师使用计算机辅助设计（CAD）软件以数字方式定义零件的三维几何形状。在大多数情况下，用于设计3D打印零件的CAD软件与常规制造所使用的软件相同。CAD软件的公司包括Dassault Systemes-达索系统，Siemens-西门子，PTC和Autodesk-欧特克等。对于某些应用，使用针对增材制造的特点进行优化的表面和结构，这优化的方式包括填充复杂的胞元结构，空心特征和添加数字纹理等。在这方面诞生了一些针对性很强的软件包括欧特克的netfabb, Materialise，nTopology和Zverse等。

    乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感，比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感….这样的例子在工业领域还有很多很多。

    那么，为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢？大自然创造的生物结构巧妙而复杂，人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢？

    日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。市场上存在一类特殊的设计软件，称为“创成式设计”以及“拓扑优化”（GD / TO）软件，可定义加载方案，设定边界条件和设计约束条件下优化零件几何形状，以实现所需的性能。该软件依靠计算机迭代与仿真来完善零件的几何形状，将CAD设计规则与来自计算机辅助工程（CAE）工具的仿****结合。

    创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。

     例如，人体骨骼具有复杂的内部和外部特征，由硬质外皮（骨皮质）骨形成刚性外层，但还需要允许血管这样脆弱的组织穿过骨骼内部的蜂窝状结构。这种蜂窝材料由胶原纤维组成，具有令人难以置信的抗拉强度和抗压强度。因此，蜂窝结构已经被大量需要轻量化的结构所采用，从飞机涡轮叶片到生活中不起眼的纸板箱中。在所有这些应用中，蜂窝使得零件更坚固和更轻。

    创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过”创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

    “创成式设计”以及“拓扑优化”GD / TO软件的领先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西门子的Solid Edge ST10和Paramatters等。

l 模拟（CAE）

    产品上市时间的缩短、研发周期的缩短，以及新产品发布速度的提升使制造业用户面临着持续增长的创新压力，当今产品的复杂性和多样性也在日益提高，这给产品研发带来了压力。

    通过传统试错的方法，已经无法在今天的全球竞争中保持领先的地位，因为这种方式费力、费时并且昂贵，而通过计算机辅助工程（CAE）仿真的力量驱动设计、管理复杂性、预测潜在的问题，已成为产品设计、生产过程，甚至是产品运营过程中不可或缺的环节。

    根据安世中德工程仿真高级咨询专家的寇晓东博士，一方面增材制造为设计带来的自由度，将仿真的应用提到了产品设计的前端，从设计最早期就发现并解决设计缺陷，增材制造为正向设计提供了工艺基础；另一方面仿真技术能够激发增材制造的潜能。

    在3D打印的情况下，CAE不仅用于优化设计，而且还用于预测制造过程、优化制造过程和开发新材料。由于3D打印涉及的物理复杂问题，CAE软件可以帮助缓解质量问题的许多潜在原因。根据安世中德的技术总经理包刚强，增材制造仿真的应用价值体现在改善、减少和开发几个方面。改善，包括改善金属增材制造设计流程、对工艺过程的了解、机器生产效率、材料利用率、可重复性和质量；减少，包括减少打印失败，打印时间，不合格零件，后处理，试错，设备维护和对环境的影响；开发，包括开发新材料，新机器，新参数，个性化微观结构和期望的材料属性。

    可以说仿真对于3D打印至关重要，渗透到从建模到前馈控制，再到过程控制、材料开发等3D打印工艺链的方方面面。

    CAE的子类包括分析结构和热行为的有限元分析（FEA），以及用于分析流体流动的计算流体动力学（CFD）。FEA和CFD在建模和优化AM过程中都至关重要。

    随着3D打印-增材制造技术的不断成熟和应用，通过CFD和FEM在制造前预测性能、优化设计并验证产品行为，零件经过结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后通过增材制造技术加工出来。CFD、FEM技术与3D打印-增材制造技术相得益彰，互相成就，共同推动零件实现性能升级。

    除了用于改善整体打印质量外，CAE工具在帮助优化诸如打印速度以及能量和材料输入等参数方面也起着重要作用，这些参数是3D打印经济学中的重要因素。CAD和CAE的结合变得越来越紧密无缝，建模与仿真的无缝结合正成为大势所趋，在这方面，欧特克（Autodesk）2019年11月就宣布了与工业仿真软件企业ANSYS 之间的下一步合作关系，双方将建立起设计软件与仿真软件的无缝互操作性，为制造用户带来革命性的设计与工程敏捷性。这种合作可以实现增强创成式设计等新的自动化流程，而自动化的流程将缩短产品上市时间，使多个工程团队可以更为顺畅的地一起工作。

l  制造处理（CAM）

    计算机辅助制造（CAM）是使用软件来控制诸如机床之类的制造设备。CAM软件将CAD和CAE数据作为输入，并创建机器指令（G代码），该指令通过编程以执行精确的加工过程。在3D打印领域，CAM过程涉及五个关键步骤：

    确定零件构建方向：在零件中确定零件方向的最佳方法取决于多种因素，例如精度和表面光洁度要求、工艺、支撑结构等。CAM可以建议最佳构建方向，但通常也需要用户输入。

    支撑策略：支持零件有很多不同的方法，最佳的支撑结构取决于其几何形状，过程，材料和其他变量。在大多数CAM软件中，此步骤在很大程度上是自动化的。

    加工余量：为了达到所需要的高表面光洁度和精度要求，通常需要预留一定的加工余量。这些余量通过机加工等后加工过程被去除。

    零件布局：某些3D打印过程可以一次打印很多零件，分布在整个基板上，也可以堆叠在z轴上。CAM软件有助于嵌套零件，从而使每次构建的零件数量最大化。

    加工策略：完成上述所有步骤并选择了打印参数后，CAM软件将生成G代码，该代码将发送至打印机以执行打印过程。

    目前更高级的工业增材制造用户通常利用第三方处理工具来获得更多控制和效率。这种独立的CAM软件可以在处理计算要求高、复杂、高分辨率的构建中发挥作用。还允许将一个API与一组不同的3D打印设备一起使用。这些软件包括Netfab（Autodesk），Magics（Materialise）和Dyndrite。

    其中，来自西海岸的创业公司Dyndrite的用于增材制造的新3D几何内核使用原始的数学表示形式（B样条曲线，NURBS和B-rep数据）来提供更好的增材加工路径。通过不依赖STL这样的数百万个三角形来定义打印，Dyndrite的解决方案避免了“数据膨胀”，并可以提高打印零件的质量。这意味着通过消除需要修理STL的耗散动量的步骤，从而提高了可重复性并提高了生产速度。

l 工作流程（MES / ERP / PLM）

    制造工作流程软件已在常规供应链中使用了数十年。该软件的类别包括制造执行系统（MES），企业资源计划（ERP）和产品生命周期管理（PLM）。

    走进任何3D打印公司，您将发现同样的挑战：很多企业还在使用Excel表格管理整个制造过程，那些包含关键数据的Excel电子表格被存储在各个团队成员系统的本地硬盘上。唯一集成到业务的其余部分是公司服务器上的文件共享。虽然很多企业正在使用企业资源规划（ERP）系统，为公司的每个部门提供可视性，但ERP却是“跳过”车间加工环节的。

    然而，随着3D打印成为制造领域不可或缺的一部分，Excel电子表格的方法很快变得难以为继。乍一看3D打印似乎只是一个步骤，但是加工中的“黑匣子过程”实际上充满了离散的操作和数据收集机会，包括打印准备，构建模拟，实时监控和分析，跨机器衔接以及设施的调度，后处理要求等等。

    虽然3D打印工艺有着其特定的需求和具体的挑战，但是如果用户真的愿意接受3D打印作为一种制造技术，它就不能作为一个孤立的孤岛来运作。

    在过去几年中，随着3D打印技术走向工业生产，除了设计软件和仿真软件之外，与3D打印相关的软件中出现了两个关键的新类别：工作流程和安全软件。工作流程软件对增材制造工艺来说同样重要。制造企业在将增材制造技术纳入生产的过程中，对工作流程软件的需求将不断增加，这类软件可以管理增材制造过程中所涉及的生产步骤。工作流软件的前景在过去五年中不断发展，现在许多软件供应商都提供了管理增材制造工作流的解决方案。

    Materialise、AMFG、3YourMind、Authentise、Link3D、Oqton和其他软件提供商正在通过重新定义传统MES来支持管理3D打印工作流程各个方面的软件产品来满足3D打印的自动化管理需求。