2021:3D打印軟件專題報(bào)告之《3D打印仿真、拓?fù)鋬?yōu)化軟件匯總》

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

南極熊覺(jué)得有必要撰寫一份3D打印軟件專題報(bào)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(duì)3D軟件的重視，充分發(fā)揮出3D軟件的價(jià)值。也希望讀者能夠在這份報(bào)告中找到適合自己的軟件。同時(shí)，3D軟件開發(fā)企業(yè)能夠得到更多資本的助力，推動(dòng)3D軟件的成熟和普及。

這份專題報(bào)告中所介紹的3D軟件包括：3D設(shè)計(jì)軟件、3D數(shù)據(jù)處理軟件、3D打印機(jī)控制軟件、3D仿真軟件、計(jì)算軟件、云平臺(tái)等等。

下面是專題中《3D打印仿真、拓?fù)鋬?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?qū)υ霾闹圃飚a(chǎn)品進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的拓?fù)鋬?yōu)化和仿真從而實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果的快速自動(dòng)幾何重構(gòu)。針對(duì)3D打印的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)生成（基于性能的填充和單胞結(jié)構(gòu)均勻填充）。

Altair Inspire Print3D可用于實(shí)現(xiàn)選擇性激光熔融 (SLM) 部件的設(shè)計(jì)和過(guò)程仿真。
Altair Inspire Cast可滿足從產(chǎn)品設(shè)計(jì)師到鑄造工程師在內(nèi)的各類用戶的需求。從早期設(shè)計(jì)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(dǎo)向性工藝模板提供了 5 個(gè)簡(jiǎn)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(yàn)讓用戶可以提升產(chǎn)品質(zhì)量，并在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單地培訓(xùn)后即可設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。
Altair Inspire™系列產(chǎn)品覆蓋整個(gè)增材制造從設(shè)計(jì)到工藝制造完整開發(fā)流程的各個(gè)方面，通過(guò)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)制造的方式提升增材制造的產(chǎn)品能級(jí)與工藝可靠性。

Altair Inspire能夠進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的生成，針對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)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(jié)果覆蓋打印過(guò)程，基板切除，冷卻與回彈整個(gè)過(guò)程。能夠查看和動(dòng)畫顯示包括應(yīng)力，位移，熱等多種結(jié)果。
Altair Inspire Cast 從早期設(shè)計(jì)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(guó)航空供應(yīng)商SOGECLAIR 公司使用粉末粘結(jié)結(jié)合鑄造的增材制造技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)艙門，使用 Altair Inspire 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，Altair OptiStruct 進(jìn)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(xiàng)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(shù)的可行性，Altair提供軟件方案，用于汽車前艙機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)后，APWORKS負(fù)責(zé)確定該3D打印結(jié)構(gòu)件的最終尺寸。

M&H CNC-TECHNIK GmbH公司使用Inspire Print3D 進(jìn)行打印過(guò)程仿真、Inspire Print3D 大大增強(qiáng)了制造前評(píng)估設(shè)計(jì)和客戶零件的能力，對(duì)打印過(guò)程中出現(xiàn)的任何問(wèn)題能夠做出相應(yīng)的反應(yīng)。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)第一次就能正確制造出獨(dú)特的零件是一種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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

Ansys
ANSYS軟件是美國(guó)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(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，computer Aided design）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo, NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單方便，現(xiàn)在已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件，在歷年的FEA評(píng)比中都名列第一。目前，中國(guó)100多所理工院校采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析或者作為標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)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(guān)的材料非線性屬性，基于工藝文件的運(yùn)動(dòng)路徑信息，模擬增材工藝的材料堆積過(guò)程，可以詳細(xì)模擬零件分區(qū)、打印路徑以及熔融冷卻的相變過(guò)程對(duì)增材制造過(guò)程的影響，預(yù)測(cè)增材制造過(guò)程中的溫度、應(yīng)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(cuò)過(guò)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(guān)分析功能：
（1）可模擬增材制造工藝、熱處理工藝過(guò)程，獲得其溫度、變形以及應(yīng)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(zhuǎn)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(jìn)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(guān)的材料熱學(xué)、力學(xué)屬性；
（4）瞬態(tài)熱分析：根據(jù)掃描路徑的材料堆積過(guò)程，模擬在熱源作用下材料的熔凝過(guò)程，來(lái)計(jì)算制件在增材制造過(guò)程中隨時(shí)間變化的熱傳遞行為；
（5）應(yīng)力分析：考慮材料的非線性行為以及基板實(shí)際約束條件，通過(guò)熱應(yīng)力耦合分析來(lái)進(jìn)行增材制造過(guò)程的變形以及應(yīng)力分析。

增材工藝仿真分析系統(tǒng)AMProSim-DED的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：
1)采用模塊化布局設(shè)計(jì)、向?qū)�式�?yīng)用流程，操作界面簡(jiǎn)潔易用，可面向非仿真專業(yè)人員進(jìn)行增材工藝過(guò)程的仿真分析；
2)可以詳細(xì)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(jìn)行增材工藝仿真；
4)考慮熔凝相變物理過(guò)程以及工藝環(huán)境，計(jì)算增材工藝過(guò)程瞬態(tài)溫度場(chǎng)；
5)考慮材料的非線性行為以及基板實(shí)際約束條件，計(jì)算打印過(guò)程變形應(yīng)力應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)控形仿真；
6)可模擬熱處理過(guò)程，包括溫度場(chǎng)和變形應(yīng)力；
7)計(jì)算效率高，可適用與實(shí)際大件的計(jì)算。

Lattice Simulation點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析
Lattice Simulation是安世亞太自主研發(fā)的一款用于增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析的工具，具有用戶自定義和內(nèi)置點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴(kuò)展工具中�；�于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實(shí)體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過(guò)局部分析對(duì)胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。

圖1  點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)分析工具功能

圖2  Workbench點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)模塊分析流程

Lattice Simulation提供增材點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在有限元仿真中涉及的相關(guān)分析功能：
（1）均質(zhì)化分析�；�于胞元結(jié)構(gòu)類型及在空間上的周期排列特性，進(jìn)行均質(zhì)化計(jì)算，提取等效實(shí)體的材料力學(xué)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(duì)等效實(shí)體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，校核點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剛度性能。
（3）細(xì)觀校核�？紤]胞元外部邊界條件（采用應(yīng)變加載），對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，校核點(diǎn)陣胞元結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guó)Fe-design公司開發(fā)的目前在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，目前已被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、機(jī)械制造、加工工業(yè)等眾多領(lǐng)域，并被奧迪、寶馬等世界知名公司所采用，作為其進(jìn)行產(chǎn)品虛擬開發(fā)的軟件工具。

OSCA Structure 是標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)參結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)，可以對(duì)具有任意載荷工況的有限元模型進(jìn)行拓?fù)洹⑿螤詈图訌?qiáng)筋優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的每一迭代過(guò)程均在外部求解器中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，通過(guò)采用眾多業(yè)界認(rèn)可的優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化求解，保證了優(yōu)化結(jié)果的高質(zhì)量。 這樣做的另一大優(yōu)點(diǎn)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(xùn)來(lái)熟悉另外一個(gè)陌生的軟件環(huán)境。通過(guò) TOSCA Structure內(nèi)部各程序的相互作用可以完成新產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在CAD/CAE系統(tǒng)中從概念到成品的閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

TOSCA Strcuture  結(jié)構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)由Topology，Shape，Bead，Smooth，Gui等幾個(gè)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(guò)Web瀏覽器在線使用的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件，可幫助用戶快速開發(fā)創(chuàng)新型、輕量化且結(jié)構(gòu)高效型設(shè)計(jì)。
Toptimizer簡(jiǎn)單易用，沒(méi)有拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)驗(yàn)的用戶也可以快速掌握，快速地完成結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。

Simright Toptimizer主要特性
1、基于Web瀏覽器，可隨時(shí)隨地使用，無(wú)需安裝軟件；
2、簡(jiǎn)單易用，適用于CAE初學(xué)者及高級(jí)用戶，幾分鐘就可以掌握，5分鐘即可完成一次拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算；
3、強(qiáng)大的自動(dòng)化網(wǎng)格劃分功能；
4、拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果支持光順化和導(dǎo)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(guó)ParaMatters是一家用于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，自動(dòng)拓?fù)鋬?yōu)化，零件整合和輕量化的軟件供應(yīng)商。Paramatters的人工智能驅(qū)動(dòng)的軟件提供了業(yè)界最好的性能和輕量化結(jié)果，在數(shù)分鐘/小時(shí)內(nèi)獲得可制造的設(shè)計(jì)，而不是數(shù)周/數(shù)月。

無(wú)限制的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)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(qiáng)度）
• SLS/MJF/DMLS/SAF（考慮各向同性的剛度和各向異性的強(qiáng)度）
• SLA/DLP (考慮各向同性的剛度和強(qiáng)度)
• 多材料設(shè)計(jì)
• 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(shè)計(jì)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(dòng)化設(shè)計(jì)的 3D 打印工裝夾具，以簡(jiǎn)化您在設(shè)計(jì)階段的時(shí)間投入，同時(shí)可以利用DFAM原理，在材料成本和工程時(shí)間方面取得節(jié)省。通過(guò)這個(gè)工具，生成定制的工裝夾具僅需要簡(jiǎn)單的幾次鼠標(biāo)點(diǎn)擊。

nTopology 官方鏈接：https://ntopology.com/

Ameba
謝億民院士領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)團(tuán)隊(duì)——謝億民科技，根據(jù)他提出的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO），研發(fā)了基于該算法的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)軟件Ameba。用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)需要，對(duì)初始設(shè)計(jì)區(qū)域施加力學(xué)等邊界條件，通過(guò)軟件計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化，求解時(shí)設(shè)計(jì)區(qū)域會(huì)像變形蟲那樣進(jìn)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(lái)大會(huì)“最具影響力的數(shù)字工具年度獎(jiǎng)”(“The Most Influential Digital Tool of the Year”)。

Ameba基于雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO）理論，不僅可以刪除低效單元，同時(shí)可以在材料“高效能”（如材料應(yīng)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(jìn)優(yōu)化法的優(yōu)化能力變得更強(qiáng)。


Ameba致力于成為工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)力工具，團(tuán)隊(duì)將為大部分CAD平臺(tái)進(jìn)行適配，讓用戶從設(shè)計(jì)到仿真優(yōu)化良好體驗(yàn)。目前Ameba在創(chuàng)作更為自由的Rhino平臺(tái)已推出了V2.0更新版本。

Ameba采用云計(jì)算服務(wù)。開發(fā)團(tuán)隊(duì)在服務(wù)器集群部署高性能并行計(jì)算程序，用戶可以即時(shí)獲得優(yōu)化結(jié)果，當(dāng)計(jì)算規(guī)模較大時(shí)，整個(gè)計(jì)算過(guò)程盡管時(shí)間較長(zhǎng)，但不會(huì)影響到用戶本地計(jì)算機(jī)，并且計(jì)算文件均為自動(dòng)回傳至本地，與Rhino進(jìn)程分離，保證服務(wù)的穩(wěn)定性。

Ameba擁有強(qiáng)大的網(wǎng)格優(yōu)化功能。Ameba不僅具有拓?fù)鋬?yōu)化功能，還有強(qiáng)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(gè)有機(jī)的網(wǎng)格模型，可以將雜亂無(wú)章拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果非常適合3D打印，在沒(méi)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(dú)特的模擬、仿真優(yōu)化解決方案引領(lǐng)增材制造市場(chǎng)。
Simufact 是一款強(qiáng)大的金屬塑性成形、焊接、熱處理工藝仿真平臺(tái)，可以實(shí)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(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
Simufact 在汽車行業(yè)主要應(yīng)用于多工步鍛壓工藝鏈仿真、沖壓 ←→ 焊接工藝鏈仿真、鉚接 → 機(jī)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(jī)械連接、焊接、增材制造工藝過(guò)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(duì)造型中的熱變形實(shí)施預(yù)測(cè)仿真以外，還具備與從打印床切斷部件、去除支撐結(jié)構(gòu)、熱等靜壓(HIP)等工藝有關(guān)的功能。憑借這些功能，在生產(chǎn)階段便無(wú)需反復(fù)嘗試，可高效率實(shí)施造型，節(jié)省時(shí)間和成本。另外，MSC公司成今后還將為該軟件配備熱-結(jié)構(gòu)耦合分析、溫度履歷管理、基于拓?fù)鋵W(xué)優(yōu)化的造型形狀設(shè)計(jì)、支撐材料設(shè)計(jì)等功能模塊。
仿真示例，切斷支撐部后支架的變形 。
3D打印機(jī)在產(chǎn)品開發(fā)中運(yùn)用得越來(lái)越多，但同時(shí)也存在故障導(dǎo)致造型中斷、無(wú)法按照CAD給出的形狀實(shí)施造型等問(wèn)題。因此，MSC開始提供使用仿真技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)造型形狀及支撐結(jié)構(gòu)的解決方案，為解決這些問(wèn)題提供支援。

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


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