安世中德包剛強：《增材思維驅動的增材先進設計與工藝仿真一體化解決方案》

安世中德（北京）咨詢有限公司技術總經(jīng)理包剛強：《增材思維驅動的增材先進設計與工藝仿真一體化解決方案》的主題演講。南極熊3D打印網(wǎng)小編現(xiàn)場聆聽了專家們的演講。下面是現(xiàn)場速記的文字記錄。

    包剛強：各位專家、各位嘉賓，大家下午好！
    非常容幸有這樣的機會，跟大家分享一下我們公司對于增材思維驅動的增材先進設計與工藝仿真一體化解決方案與部分應用案例。我分五個專題介紹。
    增材制造有十大優(yōu)勢，在這里面最核心的優(yōu)勢我們認為是數(shù)字化表達，增材的數(shù)字主線在工業(yè)層面，我們發(fā)現(xiàn)有五個底層架構去支撐，從標準、規(guī)范以及到打印的方法、對應的技術以及對應的軟件平臺和硬件設施。在這五大技術支撐上，增材工藝分八個階段，從最開始基于DFF設計產(chǎn)生了設計產(chǎn)品，通過它面向化網(wǎng)格，切片、支撐乃至打印，以及最后我們做后處理，后面做簡材。這八個階段每個階段都跟數(shù)字化驅動。
    以數(shù)字主線驅動工藝流程，很容易就銜接產(chǎn)品的開發(fā)整個系統(tǒng)里面四大階段，從最開始產(chǎn)品的設計，到加工、監(jiān)測，再到后處理以及整個產(chǎn)品的監(jiān)測簡材，以及到最后去安裝、運營，我們的產(chǎn)品以及數(shù)字化，由于它的數(shù)字化表達，使數(shù)字模型和物理模型是息息相關的。在打印以及監(jiān)測過程中，打印整個過程中的表現(xiàn)，我們通過仿真，通過數(shù)字模型也可以表達。監(jiān)測中溫度傳感器的擺放，實際上仿真提供了這個過程中溫度優(yōu)化的一些位置、一些點，我們可以用數(shù)字孿生結合。以及后處理和簡材，都有一定的數(shù)字模型和實際模型，乃至到最后的運營、安裝、裝配。
    另外一個數(shù)字化里面的優(yōu)勢，就是剛才康碩集團李總提到的，增材分布式制造帶來的基于大數(shù)據(jù)的云制造。好處不言而喻，結合區(qū)塊鏈，實際上以前五大劣勢由于區(qū)塊鏈可以銜接上，不管從數(shù)據(jù)的分享，乃至到知識產(chǎn)權的保密，以及數(shù)據(jù)的實施更新，乃至可追蹤性，區(qū)塊鏈正好能夠銜接以增材制造云制造的方式彌補。我相信這兩大優(yōu)勢是增材將來比較重要的優(yōu)勢。
    第二部分，我想分享的是增材先進設計。
    我們要以增材思維來看整個過程，就如先臨三維李總說的，實際上增材過程其實是有很多限制的，要把增材的潛力、優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，在這個過程中要充分利用增材在各個環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，避免它的限制和劣勢，才能使得怎才價值最大化。我們以往的等材和簡材的工藝，產(chǎn)品設計使得我們基于DFF方式去設計，增材基于功能產(chǎn)品設計出來，在DFF基礎上我們去考慮DFAM。包括仿生設計、創(chuàng)成式設計，包括其他的一些設計，它會有一些交叉。比如創(chuàng)成式設計，設計其實是工程師設計了，然后用軟件把這個過程記錄下來。創(chuàng)成式設計是通過模型用軟件去設計，找到最優(yōu)的設計，未必是最優(yōu)，沒有最優(yōu)，只有相對優(yōu)化的設計方案。拓撲優(yōu)化其實也是創(chuàng)成式設計里面優(yōu)化的一種途徑。
    我們來看一下基于增材出發(fā)DFF的分析。這里面數(shù)字驅動是非常明顯的，我們一個產(chǎn)品的設計最開始是有需求的，是有它的功能的，基于它的功能我們會梳理一系列的需求。如果產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)品的研究、產(chǎn)品的設計是以DFF方式出現(xiàn)，我們會有不同的驅動，不同的產(chǎn)品有不同的需求，包括背后物理性的需求在中間把產(chǎn)品最大化的實現(xiàn)，以往設計我們考慮到工藝的因素，我們的設計往往通過經(jīng)驗和工藝的限制設計產(chǎn)品，以往的經(jīng)驗也是以它為驅動。如果我們考慮增材，我們需要用物理驅動的方式獲取到產(chǎn)品的性能，以這樣的性能去設計新的產(chǎn)品，而增材工藝又能把它實現(xiàn)。所以AM技術使得我們正向設計有了更大的可能，而且減少了AM設計的次數(shù)，我們可以去閉環(huán)，快速去驗證我們的性能。
    一個產(chǎn)品的性能其實是多種性能，我們物理求解器，平臺和功能至關重要，一起對應的產(chǎn)品對于物理性能的理解，對產(chǎn)品的認識，決定了我們的程度以及仿真的合理性，以及仿真的精度，這中間需要大量的經(jīng)驗，不僅僅是一個軟件平臺，就能夠使得我們非常好、非常可靠，但是我們的軟件平臺往往又是很基本的一個基礎。
    再來看dfAM，增材有它的限制，不管以現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)品去選，該怎么樣做基于增材的設計？以往的加工方式，工藝考慮的設計，我們要充分去評估，我們總共列了14個不同的專題，去評估我們如何基于dfAM使得我們的價值最大化。比如從材料的可打印性、可行性，再到后面一系列的評估，我們重點有三個緯度，一個是業(yè)務完整的評估，第二個是增材設計細節(jié)的評估，再到增材機會的評估。業(yè)務評估我們要考慮成本、周期，要考慮能耗的損失，要考慮簡材，要考慮運輸以及供應鏈，這是對于一個現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)品完整的考慮，考慮清楚了我們選出的產(chǎn)品，它基于增材的設計、研發(fā)、開發(fā)乃至后面的制造、打印、簡材才有完整的意義，才有近來。第二個很重要的是設計機會，我們要考慮基于增材，這個產(chǎn)品做了設計以后它的價值怎么樣，一定要讓它的價值最大化，不管是整合功能、多家融合，還是輕量化要求，提升我們的性能要求，還是可維護性等等，我們有很多這樣的一些點。再到一些設計細節(jié)，在設計初期都要去考慮，比如基于dfAM打印有支撐，基于不同的工藝方式進行評估。這樣才有可能滿足增材價值最大化，才有可能是增材思維去驅動產(chǎn)品的設計。
    再來看拓撲優(yōu)化。如同前面幾位嘉賓和專家說的，拓撲優(yōu)化是很主要的方式，使得真正的產(chǎn)品設計從原來的設計進行一定的優(yōu)化。而現(xiàn)在我們的需求提了、功能提了、設計空間提了、邊界提了，通過拓撲優(yōu)化的方式能夠優(yōu)化產(chǎn)品。它可以在概念階段和產(chǎn)品初步階段設計出產(chǎn)品的個性化外形。拓撲優(yōu)化設計不是一個新的概念，二十年來，尤其在結構上應用已經(jīng)普遍，但是它也有很多挑戰(zhàn)，尤其是拓撲優(yōu)化核心的算法，現(xiàn)在仍在持續(xù)。拓撲優(yōu)化核心算法，從建模的拓撲優(yōu)化算法，一些方法還在不斷研究，再到自身的優(yōu)化算法，再到序列線性規(guī)劃，以及二次規(guī)劃，都有很多算法，但是這些算法到目前為止數(shù)字的穩(wěn)定性還有很多問題，會帶來拓撲優(yōu)化的邊界以及棋盤效應，乃至局部有一些極致的效應。所以這部分核心算法也在不斷提升，還需要在這部分做很多的工作。
    第二塊，如果我們把拓撲優(yōu)化設計真正應用于設計工程，以往的拓撲優(yōu)化需要仿真驅動，需要不斷去替代，效率對設計工程是一個很大的問題�，F(xiàn)在安世中德有一個解決方案，是Discovery Live拓撲優(yōu)化，是用GPU加速，所見即所得的仿真結果以及改進的結果。我們接下來的一個版本中會把拓撲優(yōu)化加進去，以往的分析可能要兩個小時、三個小時才計算完，拓撲優(yōu)化有可能時間更長，我們用GPU加速的方式，而且不需要畫網(wǎng)格，不需要很多細節(jié)，很快速就可以得到拓撲優(yōu)化，可能就是幾分鐘。而且隨著GPU的加速，我們認為再過五年到十年，比CPU加速可能快千倍。將來一些產(chǎn)品的外形如何有一個很好的外形設計，來使得產(chǎn)品性能得到提升？這中間需要拓撲優(yōu)化或者形狀優(yōu)化去驅動，乃至到將來電廠、電磁場的拓撲優(yōu)化也有可能，而且這部分在高校已經(jīng)做很多的研究，接下去我們完全可以想象，在多物理場景平臺下，多學科和多物理場拓撲優(yōu)化能夠實現(xiàn)。
    再來看鏤空結構設計分析系統(tǒng)，這是賦予我們仿真的方式去設計產(chǎn)品的可能性。點陣對不同的物理場對應不同的功能，比如可以去減少噪聲，包括電磁的兼容、電磁干擾等等，在點陣設計里面都有很大的用處。乃至到點陣的仿真分析，比如用多尺度的仿真算法，設計好了如何去驗證，從微觀到宏觀，再回到微觀，我們團隊和我們公司開發(fā)了一個專門的工具，可以基于我們的平臺進行點陣的設計以及分析的途徑。點陣還有很多值得去研究，尤其是點陣的一些破壞模式、點陣與增材打印的影響因素，以及點陣與仿真分析實驗、解析分析等等，需要做很多的工作。
    下面再回到增材工藝仿真。我們知道增材，尤其是金屬，在打印過程中會有控形和控性的要求。但是金屬增材打印機非常復雜，這中間有材料的因素，就如同盧院士提到的，材料的配方、材料的范圍以及工差、流動性、球形度，都會影響到打印的質量，乃至于打印機設備，打印機設備縫隙怎么樣、密封性怎么樣，以及刮板、控制等等，都會影響到打印效果。再到打印工藝的設計，如何設計支撐，如何定我們的打印方向，如何選擇合理的打印工藝參數(shù)等等。這么多影響因素會影響打印合格的程度，如果這個過程中去試錯成本太高，反過來對工藝仿真需求就提了比較高的要求。仿真的價值可以改善一系列的因素，可以減少打印失敗、時間、不合格的產(chǎn)品，有利于快速去開發(fā)新的材料、新的設備，以及新的工藝參數(shù)包。
    但仿真很難，工藝的仿真中間有空間和時間緯度的平衡，有宏觀和微觀的問題，就如同上午幾位院士提的，在凝固過程中是非常不平衡的過程，包括里面的機理，有很多種，涉及的環(huán)境多，不確定因素也多。如何使得仿真能夠給工藝設計，以及工藝的打印帶來真實的價值？
    我們有三塊解決方案，我們的解決方案針對不同的人群，我們的設計工程師在初步設計過程中看看這個產(chǎn)品是否可以打，哪些地方初步變形會怎么樣，怎么擺，自身怎么樣去初步設計，然后改進產(chǎn)品的設計。我們還可以對工藝工程師去做增材工藝參數(shù)的優(yōu)化、選擇，考慮不同的掃描策略，考慮支撐的一些生成，還可以跟工藝工程師和材料工程師去預測微觀的情況。實際上我們的解決方案涵蓋了整個涉及到工藝需要不同的人群，而且這個產(chǎn)品整個解決方案是一體化的，這中間很多因素目前比較有競爭性和獨特的。
    （PPT圖示）剛才我們說了有一體化的解決方案，從開始的材料，材料其實是中間非常重要的部分，材料的可打印性以及材料打完的特性，以及材料對產(chǎn)品性能的依賴，都使得我們開始去基于材料，基于增材的設計，不管是拓撲優(yōu)化，包括設計、驗證、校合，包括產(chǎn)品性能檢測、運營維修等等，這里標紅的部分都可以用數(shù)字仿真去驅動，去形成這部分解決方案。
    在這樣的解決方案中，我們對先進設計和工藝仿真，工藝仿真包含了后處理，這兩點我們有對應的經(jīng)驗解決方案。以及在這兩塊我們公司跟工業(yè)界用戶有對應的設計方案的案例，我們公司在這部分長期持續(xù)一直做這部分的工作，可以看到，通過拓撲優(yōu)化或者創(chuàng)成式和其他設計，可以使得產(chǎn)品非常簡單、非常美觀，因為產(chǎn)品的設計其實簡單才是美，不僅僅是外觀，真正性能承擔最多的地方，整個產(chǎn)品的設計一定是非常簡潔的。所以基于增材可以把它實現(xiàn)制造出來，對應的一些分析案例也可以證明這一部分。
    乃至工藝仿真，最近我們跟不同的合作伙伴一起做這部分的工作，我們有不同的價值以及不同的定位。如何快速去預測我們的一些變形？我們支撐的影響分析，再到刮板的預測，再到我們怎么去優(yōu)化支撐，我們減少打印的變形，包括應對開裂，再到優(yōu)化結構設計等等，使得我們的工藝更可行，乃至我們做標定，可以基于特定的設備、特定的粉末，一起基于仿真來做對比和驗證。
    最后我簡單介紹一下我們公司的增材業(yè)務。我們是一個集團，基于增材業(yè)務有三部分，安世亞太是中國在仿真以及精益研發(fā)，乃至仿真體系的創(chuàng)立者，在數(shù)字化設計部分我們有一定的經(jīng)驗和領先。德迪（音譯）是設備和耗材來做制造，安德（音譯）是做打印業(yè)務。其實增材方向非常美好，但道路很曲折，我們也非常開放，我們需要合作，在這樣的產(chǎn)業(yè)鏈的情況下，我們需要跟大家一起合作，使得增材整個邏輯能夠變得可行。我們現(xiàn)在已經(jīng)和高研院，以及和國內、國外合作伙伴一起做這件事情，我們也歡迎國內同行乃至國際同行，我們一起談一些合作，使得增材的一些解決方案能夠做的更扎實，能夠盡快落地。我們一定相信將來的增材是非常美好的。
    謝謝各位。