2021:3D打印軟件專題報告之《3D打印仿真、拓撲優(yōu)化軟件匯總》

2021年，在一場3D打印會議上，多位專家強調(diào)了3D打印軟件的重要性，并指出中國在3D軟件方面的欠缺。隨后，南極熊去調(diào)研了多家國外內(nèi)的3D打印軟件相關公司。

南極熊覺得有必要撰寫一份3D打印軟件專題報告，希望能夠體現(xiàn)出3D軟件在3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中的重要性，引起更多讀者對3D軟件的重視，充分發(fā)揮出3D軟件的價值。也希望讀者能夠在這份報告中找到適合自己的軟件。同時，3D軟件開發(fā)企業(yè)能夠得到更多資本的助力，推動3D軟件的成熟和普及。

這份專題報告中所介紹的3D軟件包括：3D設計軟件、3D數(shù)據(jù)處理軟件、3D打印機控制軟件、3D仿真軟件、計算軟件、云平臺等等。

下面是專題中《3D打印仿真、拓撲優(yōu)化軟件》部分。包括Altair Inspire、SolidWorks Simulation、Ansys、AMProSim-DED、Lattice Simulation、TOSCA Structure、Toptimizer、ParaMatters、nTopology、Ameba、GENESIS、Generate、Isight等

Altair Inspire™
Altair Inspire™能夠對增材制造產(chǎn)品進行靜力學和動力學的拓撲優(yōu)化和仿真從而實現(xiàn)輕量化設計，優(yōu)化結果的快速自動幾何重構。針對3D打印的點陣結構生成（基于性能的填充和單胞結構均勻填充）。

Altair Inspire Print3D可用于實現(xiàn)選擇性激光熔融 (SLM) 部件的設計和過程仿真。
Altair Inspire Cast可滿足從產(chǎn)品設計師到鑄造工程師在內(nèi)的各類用戶的需求。從早期設計階段開始，用戶即可直觀地發(fā)現(xiàn)各類典型鑄造缺陷，如裹氣、縮松、冷隔、模具性能下降等；還可糾正這些缺陷，從而避免高昂的下游修正成本。導向性工藝模板提供了 5 個簡單的步驟，用于仿真金屬芯重力鑄造、砂芯重力鑄造、熔模鑄造、高壓鑄造、低壓鑄造和傾斜澆注工藝。Altair Inspire Cast 的創(chuàng)新體驗讓用戶可以提升產(chǎn)品質(zhì)量，并在經(jīng)過簡單地培訓后即可設計出更好的產(chǎn)品。
Altair Inspire™系列產(chǎn)品覆蓋整個增材制造從設計到工藝制造完整開發(fā)流程的各個方面，通過仿真驅動設計制造的方式提升增材制造的產(chǎn)品能級與工藝可靠性。

Altair Inspire能夠進行靜力學和動力學的拓撲優(yōu)化設計，點陣結構的生成，針對拓撲優(yōu)化結果快速、高質(zhì)量地生成可用于打印生產(chǎn)的幾何模型。
Altair Inspire Print3D的仿真結果覆蓋打印過程，基板切除，冷卻與回彈整個過程。能夠查看和動畫顯示包括應力，位移，熱等多種結果。
Altair Inspire Cast 從早期設計階段開始，用戶即可直觀地發(fā)現(xiàn)各類典型鑄造缺陷，如裹氣、縮松、冷隔、模具性能下降等；還可糾正這些缺陷，從而避免高昂的下游修正成本。

代表客戶及案例
法國航空供應商SOGECLAIR 公司使用粉末粘結結合鑄造的增材制造技術生產(chǎn)飛機艙門，使用 Altair Inspire 進行拓撲優(yōu)化，Altair OptiStruct 進行有限元分析，Altair軟件產(chǎn)品的高效和精確使得最終的產(chǎn)品重量大幅減輕、降低了成本，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

3i-PRINT項目聯(lián)合Altair在內(nèi)的六家公司，借助大眾Caddy概念車，演示增材制造技術的可行性，Altair提供軟件方案，用于汽車前艙機構件的設計、優(yōu)化、模擬及研發(fā)工作。在成功完成該概念產(chǎn)品的模擬及設計后，APWORKS負責確定該3D打印結構件的最終尺寸。

M&H CNC-TECHNIK GmbH公司使用Inspire Print3D 進行打印過程仿真、Inspire Print3D 大大增強了制造前評估設計和客戶零件的能力，對打印過程中出現(xiàn)的任何問題能夠做出相應的反應。對于企業(yè)來說第一次就能正確制造出獨特的零件是一種競爭優(yōu)勢。

Altair Inspire 官方鏈接：https://www.altair.com/Inspire/

Ansys
ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長最快的計算機輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計算機輔助設計（CAD，computer Aided design）軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo, NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學、輕工、地礦、水利、日用家電等領域有著廣泛的應用。ANSYS功能強大，操作簡單方便，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評比中都名列第一。目前，中國100多所理工院校采用ANSYS軟件進行有限元分析或者作為標準教學軟件。

Ansys 官方鏈接：https://www.ansys.com/

AMProSim-DED
AMProSim-DED是安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開發(fā)的面向金屬增材制造定向能量沉積工藝（DED）的專業(yè)工藝仿真系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于ANSYS求解器，考慮溫度相關的材料非線性屬性，基于工藝文件的運動路徑信息，模擬增材工藝的材料堆積過程，可以詳細模擬零件分區(qū)、打印路徑以及熔融冷卻的相變過程對增材制造過程的影響，預測增材制造過程中的溫度、應力和變形，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而保證打印質(zhì)量和打印效率，避免低效的試錯過程。

增材工藝仿真分析系統(tǒng)AMProSim-DED提供增材工藝、熱處理工藝仿真的相關分析功能：
（1）可模擬增材制造工藝、熱處理工藝過程，獲得其溫度、變形以及應力的分布；
（2）解讀路徑文件，提供路徑規(guī)劃軟件數(shù)據(jù)接口，可以將打印程序的控制指令信息轉換為仿真可以讀取的路徑數(shù)據(jù)表，直接考慮掃描路徑進行增材工藝仿真；
（3）系統(tǒng)內(nèi)置10種材料，如17-4PH、316L、304、In627、In718、TC4、TC11、TA15、AlSi10Mg、 AlSi7Mg等，并支持自定義，考慮溫度相關的材料熱學、力學屬性；
（4）瞬態(tài)熱分析：根據(jù)掃描路徑的材料堆積過程，模擬在熱源作用下材料的熔凝過程，來計算制件在增材制造過程中隨時間變化的熱傳遞行為；
（5）應力分析：考慮材料的非線性行為以及基板實際約束條件，通過熱應力耦合分析來進行增材制造過程的變形以及應力分析。

增材工藝仿真分析系統(tǒng)AMProSim-DED的優(yōu)勢體現(xiàn)在：
1)采用模塊化布局設計、向導式應用流程，操作界面簡潔易用，可面向非仿真專業(yè)人員進行增材工藝過程的仿真分析；
2)可以詳細考慮增材工藝參數(shù)；
3)解讀路徑文件，提供路徑規(guī)劃軟件數(shù)據(jù)接口，直接考慮掃描路徑進行增材工藝仿真；
4)考慮熔凝相變物理過程以及工藝環(huán)境，計算增材工藝過程瞬態(tài)溫度場；
5)考慮材料的非線性行為以及基板實際約束條件，計算打印過程變形應力應變，實現(xiàn)控形仿真；
6)可模擬熱處理過程，包括溫度場和變形應力；
7)計算效率高，可適用與實際大件的計算。

Lattice Simulation點陣結構分析
Lattice Simulation是安世亞太自主研發(fā)的一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中�；�于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點陣結構的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。

圖1  點陣結構分析工具功能

圖2  Workbench點陣結構模塊分析流程

Lattice Simulation提供增材點陣結構在有限元仿真中涉及的相關分析功能：
（1）均質(zhì)化分析。基于胞元結構類型及在空間上的周期排列特性，進行均質(zhì)化計算，提取等效實體的材料力學特性。
（2）宏觀分析。采用均質(zhì)化分析得到的等效材料數(shù)據(jù)，并對等效實體點陣結構進行力學分析，校核點陣結構剛度性能。
（3）細觀校核�？紤]胞元外部邊界條件（采用應變加載），對其進行詳細的應力分析，校核點陣胞元結構強度性能。

圖3  多尺度算法原理圖

圖4  多尺度分析流程圖

TOSCA軟件
TOSCA Structure是德國Fe-design公司開發(fā)的目前在國際上處于領先地位結構優(yōu)化設計軟件系統(tǒng)，目前已被廣泛應用于汽車、航空、機械制造、加工工業(yè)等眾多領域，并被奧迪、寶馬等世界知名公司所采用，作為其進行產(chǎn)品虛擬開發(fā)的軟件工具。

OSCA Structure 是標準的無參結構優(yōu)化系統(tǒng)，可以對具有任意載荷工況的有限元模型進行拓撲、形狀和加強筋優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是進行結構優(yōu)化的每一迭代過程均在外部求解器中進行結構分析，通過采用眾多業(yè)界認可的優(yōu)化器進行優(yōu)化求解，保證了優(yōu)化結果的高質(zhì)量。 這樣做的另一大優(yōu)點是用戶可以在自己熟悉的求解器以及前后處理環(huán)境下工作，而不需培訓來熟悉另外一個陌生的軟件環(huán)境。通過 TOSCA Structure內(nèi)部各程序的相互作用可以完成新產(chǎn)品結構在CAD/CAE系統(tǒng)中從概念到成品的閉環(huán)優(yōu)化設計過程。

TOSCA Strcuture  結構優(yōu)化系統(tǒng)由Topology，Shape，Bead，Smooth，Gui等幾個主要的模塊組成。

TOSCA Strcuture 官方鏈接：https://www.3ds.com/products-ser ... cts/tosca/structure

Toptimizer
Toptimizer是一款通過Web瀏覽器在線使用的結構拓撲優(yōu)化軟件，可幫助用戶快速開發(fā)創(chuàng)新型、輕量化且結構高效型設計。
Toptimizer簡單易用，沒有拓撲優(yōu)化經(jīng)驗的用戶也可以快速掌握，快速地完成結構拓撲優(yōu)化。

Simright Toptimizer主要特性
1、基于Web瀏覽器，可隨時隨地使用，無需安裝軟件；
2、簡單易用，適用于CAE初學者及高級用戶，幾分鐘就可以掌握，5分鐘即可完成一次拓撲優(yōu)化計算；
3、強大的自動化網(wǎng)格劃分功能；
4、拓撲優(yōu)化結果支持光順化和導出STL格式。
Simright Toptimizer支持的格式
STEP (.step, .stp) (recommended)、IGES (.iges, .igs)、ACIS (.sat)、Parasolid (.x_t, .x_b)、SolidWorks (.SLDPRT)、CATIA (.catpart)、CREO/PROE/UG (.prt)、INVENTOR (.ipt)、JT (.jt)、Rhino (.3dm)。

Simright Toptimizer 官方鏈接：https://www.simright.com/apps/simright-toptimizer

ParaMatters
美國ParaMatters是一家用于創(chuàng)成式設計，自動拓撲優(yōu)化，零件整合和輕量化的軟件供應商。Paramatters的人工智能驅動的軟件提供了業(yè)界最好的性能和輕量化結果，在數(shù)分鐘/小時內(nèi)獲得可制造的設計，而不是數(shù)周/數(shù)月。

無限制的創(chuàng)成式設計解決方案，可以適用于增材制造和傳統(tǒng)制造。
增材制造工藝包括：

• FDM/FFF（考慮各向異性的剛度和強度）
• SLS/MJF/DMLS/SAF（考慮各向同性的剛度和各向異性的強度）
• SLA/DLP (考慮各向同性的剛度和強度)
• 多材料設計
• 傳統(tǒng)制造工藝包括：
• 壓鑄和熔模鑄造
• 注塑成形
• 數(shù)控銑削（3軸和5軸）
• 擠出成形
  

ParaMatters 官方鏈接：https://paramatters.com/

nTopology
nTopology是Stratasys旗下的新一代的設計和工程軟件。這一工具有助于提高現(xiàn)代工廠的生產(chǎn)率。您可以自動化設計的 3D 打印工裝夾具，以簡化您在設計階段的時間投入，同時可以利用DFAM原理，在材料成本和工程時間方面取得節(jié)省。通過這個工具，生成定制的工裝夾具僅需要簡單的幾次鼠標點擊。

nTopology 官方鏈接：https://ntopology.com/

Ameba
謝億民院士領導的中國團隊——謝億民科技，根據(jù)他提出的雙向漸進結構優(yōu)化法（BESO），研發(fā)了基于該算法的拓撲優(yōu)化設計軟件Ameba。用戶可根據(jù)設計需要，對初始設計區(qū)域施加力學等邊界條件，通過軟件計算進行優(yōu)化，求解時設計區(qū)域會像變形蟲那樣進化成各種形狀，最終獲得傳力合理且仿生的形態(tài)。Ameba獲得2020全球數(shù)字未來大會“最具影響力的數(shù)字工具年度獎”(“The Most Influential Digital Tool of the Year”)。

Ameba基于雙向漸進結構優(yōu)化法（BESO）理論，不僅可以刪除低效單元，同時可以在材料“高效能”（如材料應力較高）區(qū)域增加單元，這種即可刪減又可添加單元的策略使得漸進優(yōu)化法的優(yōu)化能力變得更強。


Ameba致力于成為工程設計領域的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)力工具，團隊將為大部分CAD平臺進行適配，讓用戶從設計到仿真優(yōu)化良好體驗。目前Ameba在創(chuàng)作更為自由的Rhino平臺已推出了V2.0更新版本。

Ameba采用云計算服務。開發(fā)團隊在服務器集群部署高性能并行計算程序，用戶可以即時獲得優(yōu)化結果，當計算規(guī)模較大時，整個計算過程盡管時間較長，但不會影響到用戶本地計算機，并且計算文件均為自動回傳至本地，與Rhino進程分離，保證服務的穩(wěn)定性。

Ameba擁有強大的網(wǎng)格優(yōu)化功能。Ameba不僅具有拓撲優(yōu)化功能，還有強大的網(wǎng)格優(yōu)化功能。它可以將任意相交的幾何體優(yōu)化成一個有機的網(wǎng)格模型，可以將雜亂無章拓撲結構的網(wǎng)格優(yōu)化成均勻的純四邊形網(wǎng)格或純?nèi)�角形網(wǎng)格。
拓撲優(yōu)化的結果非常適合3D打印，在沒有工藝約束的情況下，3D打印是比較好的選擇。

Ameba 官方鏈接：http://ameba.xieym.com


MSC /Hexagon Simufact Additive
憑借獨特的模擬、仿真優(yōu)化解決方案引領增材制造市場。
Simufact 是一款強大的金屬塑性成形、焊接、熱處理工藝仿真平臺，可以實現(xiàn)鍛造焊接熱處理全工藝鏈仿真，在汽車行業(yè)工藝鏈仿真領域獲得廣泛應用。
Simufact 在汽車行業(yè)主要應用于多工步鍛壓工藝鏈仿真、沖壓 ←→ 焊接工藝鏈仿真、鉚接 → 機械性能（剪切、拉伸）工藝鏈仿真等金屬成形 → 組裝焊接工藝鏈仿真。
Simufact 解決方案擁有 3 條產(chǎn)品線：Simufact Forming、Simufact Welding 和 Simufact Additive，可提供金屬成形及機械連接、焊接、增材制造工藝過程仿真分析解決方案。


專為金屬增材制造工藝開發(fā)的仿真軟件“Simufact Additive”，除了可對造型中的熱變形實施預測仿真以外，還具備與從打印床切斷部件、去除支撐結構、熱等靜壓(HIP)等工藝有關的功能。憑借這些功能，在生產(chǎn)階段便無需反復嘗試，可高效率實施造型，節(jié)省時間和成本。另外，MSC公司成今后還將為該軟件配備熱-結構耦合分析、溫度履歷管理、基于拓撲學優(yōu)化的造型形狀設計、支撐材料設計等功能模塊。
仿真示例，切斷支撐部后支架的變形 。
3D打印機在產(chǎn)品開發(fā)中運用得越來越多，但同時也存在故障導致造型中斷、無法按照CAD給出的形狀實施造型等問題。因此，MSC開始提供使用仿真技術來設計造型形狀及支撐結構的解決方案，為解決這些問題提供支援。

https://www.mscsoftware.com/zh-h ... itive-manufacturing


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