專訪增材制造仿真龍頭：金屬3D打印將像鑄造、鍛造一樣普及

南極熊請讀者思考一個問題，如果金屬3D打印工藝成熟，成本也比較低了，像鑄造、鍛造一樣普及的話，那么這個市場容量會是多大呢？

現(xiàn)在中國金屬3D打印設(shè)備廠商、材料廠商、服務(wù)廠商層出不窮，越來越火，南極熊看到了不少新面孔；但是，軟件類的不多。金屬3D打印的應(yīng)用難度和門檻都很高，即使是使用相同品牌和型號的金屬3D打印機，不同的用戶，使用效果差別也非常大。不像我們所熟知的平面打印件，只需要打開文檔，即可把內(nèi)容打印到紙上。

金屬3D打印的使用，打印件模型面向增材制造的設(shè)計和工藝仿真，顯得至關(guān)重要。如何保證增材制造打印件的質(zhì)量和成功率是當前急需解決的一個問題。增材工藝仿真的出現(xiàn)，可以實現(xiàn)在制造前對打印工藝過程進行仿真計算，進而預(yù)測打印完成后的真實狀態(tài)并進行工藝優(yōu)化。


2018年3月中旬，南極熊來到安世亞太公司北京總部（安世亞太是我國工業(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,在虛擬仿真行業(yè)排名第一），專訪了全球金屬3D打印拓撲優(yōu)化的領(lǐng)導(dǎo)廠商ANSYS及中國合作伙伴安世亞太。


△美國ANSYS公司結(jié)構(gòu)產(chǎn)品技術(shù)總監(jiān)Dave Conover（左）、安世中德咨詢公司技術(shù)總經(jīng)理 包剛強（右）

美國ANSYS公司，在全球工程設(shè)計仿真軟件方面，實力數(shù)一數(shù)二。2017年11月，ANSYS收購了增材制造仿真企業(yè)3DSIM，成為增材制造工藝過程仿真的領(lǐng)導(dǎo)者，并推出ANSYS增材制造工藝仿真套件——ANSYS Additive Suit。

ANSYS面向增材制造的設(shè)計和工藝仿真提供了完整的解決方案，使得用戶可以考慮整個增材設(shè)計制造鏈的各個環(huán)節(jié)，包括拓撲設(shè)計優(yōu)化、部件驗證、打印設(shè)置、工藝過程仿真、支撐生成、打印失敗預(yù)防、微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測等，幫助完成高質(zhì)高效的增材制造工藝設(shè)計而無需昂貴而耗時的試錯過程。例如在試制一個航空航天相關(guān)的金屬零部件過程當中，往往需要使用金屬3D打印機打印好幾個版本的樣件，如果充分應(yīng)用設(shè)計和工藝仿真技術(shù)，則可以減少打印的版本次數(shù)。


3D打印技術(shù)可以充分發(fā)揮現(xiàn)代拓撲優(yōu)化和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)勢，實現(xiàn)復(fù)雜的拓撲優(yōu)化金屬件的制造，讓零件重量大大降低（輕量化），帶來更好的操控性,發(fā)動機輸出的動力能夠產(chǎn)生更高的加速度，節(jié)約能源。南極熊甚至看到，北京鑫精合，把拓撲優(yōu)化當做整個3D打印金屬服務(wù)體系最為重要的理念和目標。


記者：ANSYS收購3DSIM之后，有何布局？
Dave Conover：ANSYS希望通過解決方案可以把增材制造技術(shù)更成熟化，如同做鑄造、鍛造這樣的工藝。金屬是3D打印未來的方向和重點，是一個核心，潛力巨大。金屬打印需要面對不同打印件的形狀，ANSYS解決方案可以幫助解決其中的難題，從而讓金屬3D打印成為廣泛應(yīng)用的一種制造工藝，并將這樣的技術(shù)推廣到各個國家。


記者：安世亞太與ANSYS在金屬3D打印工藝仿真解決方案上如何合作？
包剛強：增材制造的完整解決方案是對增材工藝的發(fā)揚光大，增材制造不僅僅是個工藝技術(shù)，更是一種增材思維，整個解決方案從設(shè)計端的拓撲優(yōu)化，到CAE系統(tǒng)分析，并利用仿真分析快速找到合適的工藝參數(shù)，幫助企業(yè)把產(chǎn)品制造出來。這方面，安世亞太會跟ANSYS總部做更緊密的合作，目前幾個層面的合作已經(jīng)在開展：
①拓撲優(yōu)化的合作。ANSYS拓撲優(yōu)化，從17.0一直開發(fā)到19.0 ，我們一直在提一些建議，基于中國的用戶對拓撲優(yōu)化的需求，從拓撲優(yōu)化乃至將來形貌優(yōu)化，形狀優(yōu)化都在做些研發(fā)，包括拓撲優(yōu)化的核心算法會在通用的SIMP算法擴展到水平集上，同時跟ANSYS一起，提供相關(guān)培訓(xùn)，希望把拓撲優(yōu)化的方式方法盡可能推廣給中國用戶。
②從ANSYS盡可能拿到比較成功的基于增材設(shè)計優(yōu)化在國外的成功案例，我覺得這些案例能給我們帶來很多的啟發(fā)，幫助中國企業(yè)在增材制造、智能制造過程中，找到關(guān)鍵技術(shù)點、關(guān)鍵級產(chǎn)品，用我們這套解決方案幫助中國企業(yè)實現(xiàn)增材先進設(shè)計。
③增材工藝過程方面，ANSYS總部也是給了我們安世亞太很大的權(quán)限，我們獨家在中國推廣這套解決方案，同時ANSYS也從技術(shù)和開發(fā)的角度都給我們了大量的支撐、支持，聚集國外ANSYS開發(fā)專家的支持，有助于我們更好的開展增材方案的推廣。


△案例：ANSYS增材仿真套件用于確定部件變形并據(jù)此在打印前進行工藝補償設(shè)計。初始設(shè)計在打印完成后結(jié)構(gòu)上部出現(xiàn)很大的凸起變形，ANSYS增材仿真套件基于初始幾何以及計算預(yù)測的變形，建立了變形補償?shù)腟TL文件并用于3D打印機，最終打印出的零件精確符合設(shè)計要求。

記者：怎么幫助中國企業(yè)、用戶把增材制造解決方案落地？
包剛強：安世亞太有幾種方式方法：
①通過我們的高校培訓(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，我們希望通過高校畢業(yè)生更好地將增材先進設(shè)計方法帶入到企業(yè)中去。
②今年，作為我們基于增材先進設(shè)計解決方案的開端，我們有專門的增材解決方案專場，提供專業(yè)的內(nèi)容，分享給ANSYS的用戶，當然不僅僅是ANSYS的用戶。從市場角度，安世亞太也會有系列的市場活動安排，包括增材相關(guān)的展會等，我們會將增材制造解決方案、思路通過更多地渠道傳遞給企業(yè)。
③通過系列的培訓(xùn)，我們可以給企業(yè)提供免費的培訓(xùn)，也可以提供定制化的收費培訓(xùn)，CAE高級應(yīng)用專題，拓撲優(yōu)化，參數(shù)優(yōu)化這樣的很直接的先進設(shè)計技術(shù)，增材工況過程仿真等培訓(xùn)。
④提供專業(yè)服務(wù)，我們會有實實在在的產(chǎn)品，與用戶一起，把增材先進設(shè)計的思路，從頭到尾走一遍，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，再到與用戶一起制造出來，做實驗，確實通過整套流程為用戶帶來真正的價值。通過一系列服務(wù)，幫助企業(yè)把整個流程應(yīng)用到他們的產(chǎn)品制造中。



記者：ANSYS在增材制造軟件領(lǐng)域具有怎樣的技術(shù)優(yōu)勢？面對拓撲優(yōu)化和3D打印結(jié)合，ANSYS的競爭優(yōu)勢如何體現(xiàn)？
Dave Conover：ANSYS作為物理仿真的領(lǐng)導(dǎo)者，具有很強的物理仿真技術(shù)能力，針對拓撲優(yōu)化和3D打印結(jié)合中間會有一個典型應(yīng)用流程，ANSYS在整個過程、流程中，會針對如何幫助用戶在設(shè)計層面到物理層面、打印層面，通過對物理仿真的理解，提供完整的解決方案。物理仿真是最強的差異性。
①在拓撲優(yōu)化領(lǐng)域，最核心的是CAE物理仿真的合理性，或者模型以及功率的強大，ANSYS在CAE仿真的維度，有很好的基礎(chǔ)，拓撲優(yōu)化基于這個基礎(chǔ)再去衍伸具有很大的優(yōu)勢，拓撲優(yōu)化自身的算法，變密度SIMP法，其實其他的軟件也是用類似的這樣的算法，但是最大的核心，在于涵蓋的物理場有多少，ANSYS是多物理場的典型領(lǐng)導(dǎo)者，市場上很多其他解決方案缺乏對物理場涵蓋的全面性。②這里強調(diào)的是整個的流程，從材料、設(shè)計再到拓撲優(yōu)化再到校核，再到工藝過程的仿真，ANSYS是真正想把完整的解決方案鋪開，而市場很多方案是單獨和孤立的。



記者：有些CAD廠商紛紛推出Generative Design（創(chuàng)成式設(shè)計或衍生式設(shè)計）產(chǎn)品，其核心也是拓撲優(yōu)化技術(shù)，從設(shè)計角度和從 ANSYS仿真角度看，有什么差異化？
Dave Conover：這些廠商主要聚焦于結(jié)構(gòu)相關(guān)的優(yōu)化，對于ANSYS來說，結(jié)構(gòu)當然是非常重要的一塊，但是同時還有其他的物理環(huán)境也非常重要，比如振動，熱，流體等，ANSYS會更關(guān)注整個物理環(huán)境的重要點。

記者：仿真技術(shù)如何降低金屬3D打印的成本？
Dave Conover：ANSYS解決方案的核心目的是降低研發(fā)成本。
①通過這個技術(shù)在前期就能分析出來打印后有什么樣的變形，整個打印件的支撐設(shè)計，如何優(yōu)化打印方式，使得打印出來的變形問題最小化。
②針對設(shè)備，跟設(shè)備的結(jié)合，設(shè)備的參數(shù)，打印的粉末，用什么樣的掃描策略，基本上從前期仿真模型到設(shè)備，對應(yīng)進行優(yōu)化組合，將少參數(shù)組合帶來試錯的代價。
這兩部分是核心。
例如通過優(yōu)化支撐，把激光或電子束掃描路徑盡可能優(yōu)化，通過虛擬的傳感器 ，獲取溫度，這些都是仿真在工藝過程試制上具體價值的體現(xiàn)。


記者：ANSYS增材制造仿真軟件的使用，難度怎么樣？
Dave Conover：在國外，比較新的技術(shù)，主要還是一些專家人員在做。隨著3D打印的推廣，機器設(shè)備的應(yīng)用，包括后面需要材料專家評判打印出來的產(chǎn)品性能，需要從物理層面做仿真分析，難度是不同的。簡單的應(yīng)用，如可以操作機器設(shè)備的操作員或工藝工程師，需要打印出來一個零部件，就可以使用相關(guān)的工具在不需要了解太多技術(shù)背景情況下就可以很快仿真分析出計算結(jié)果，幫助到真實打印中。增材科學(xué)模塊門檻就比較高，通過該模塊，可以做材料的微觀分結(jié)構(gòu)分析，幫助判斷設(shè)備本身的集成性。
概括來說，ANSYS增材制造仿真工具主要分三塊：
①workbench 增材分析模塊，這個是為設(shè)計者使用的，使用門檻不高。
②ANSYS 增材打印模塊，這個是為增材設(shè)備操作人員，工藝工程師使用準備的，使用門檻低。
③ANSYS 增材研究模塊，這個是為增材材料專家， 工藝專家使用準備的，使用門檻相對偏高。
三塊針對不用的對象和使用者，有不同的使用要求。

總的來說，南極熊覺得，安世亞太作為我國最大型的工業(yè)仿真企業(yè)，本身就積累了大量的客戶。安世亞太與ANSYS的合作由來已久，有20余年的合作歷史。此次與美國ANSYS在增材先進設(shè)計方面的深層合作，將會把金屬3D打印逐漸深入應(yīng)用到更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，對我國金屬3D打印應(yīng)用落地有著重要意義。

如果你對ANSYS 增材制造工藝仿真套件感興趣，可聯(lián)系安世亞太或南極熊。