如何解決增材制造中的批量化挑戰(zhàn)，提高生產(chǎn)效率？

作者：Safouan Itahriouan（Oqton 工業(yè)級增材制造團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用專家）
來源：Oqton

導(dǎo)讀：如何消除制造生產(chǎn)流程中的瓶頸，優(yōu)化設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和成型仿真，實(shí)現(xiàn)高效、順暢的工業(yè)零部件生產(chǎn)。立即了解如何解決增材制造中的批量化挑戰(zhàn)，提高生產(chǎn)效率。

△Safouan Itahriouan

Oqton 工業(yè)級增材制造團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用專家

當(dāng)市場上首次出現(xiàn)3D打印機(jī)時，很多人對增材制造的工藝復(fù)雜度有著不切實(shí)際的想象。實(shí)際上，生產(chǎn)制造一個零件通常需要多個專業(yè)軟件工具，用于設(shè)計(jì)、優(yōu)化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、成型仿真等多個環(huán)節(jié)。在這些工具之間切換可能導(dǎo)致瓶頸，使得按時交付零件變得難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)（從而難以管理）。我們可以預(yù)見，這些工廠里單獨(dú)的作業(yè)流程，其效率有非常大的提升空間。

在本博客中，我將引導(dǎo)您了解3D打印工業(yè)零部件的步驟，突出共同的瓶頸，并探討如何通過一體化軟件解決它們。

批量化工業(yè)增材制造中的挑戰(zhàn)
用于3D打印的硬件、軟件方案種類繁多，并且市場上不斷涌現(xiàn)出新的技術(shù)和產(chǎn)品。但就工作流程而言，大致是相似的步驟：設(shè)計(jì)一個3D模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（3D打印工藝編程），然后將文件發(fā)送到打印機(jī)進(jìn)行打印制造。

這個過程的每個階段都需要特定的工具，但使用的工具數(shù)量取決于項(xiàng)目的復(fù)雜性。最快速簡單的流程是：用戶需要用于設(shè)計(jì)模型的CAD軟件，以及用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和制造的3D打印軟件。更為復(fù)雜的流程則包括用于優(yōu)化零部件的增材制造設(shè)計(jì)（DfAM）軟件，用于使用晶格、點(diǎn)陣、輕量化等設(shè)計(jì)方法針對3D打印工藝進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)優(yōu)化。

多年來，出現(xiàn)了許多專門針對流程中特定步驟的專業(yè)軟件。這些解決方案在某些特定場景表現(xiàn)優(yōu)秀，例如成型仿真金屬中由熱引起的變形。

但專業(yè)化也有缺點(diǎn)。制造企業(yè)需要在其工作流程中使用許多解決方案，這會增加低效性。工程師們在不同的軟件之間傳遞模型，浪費(fèi)時間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、修復(fù)模型，并希望原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)沒有損失 。

導(dǎo)入3D模型
每個3D打印零件都始于一個3D模型。設(shè)計(jì)師使用CAD軟件（如SolidWorks、Catia或Siemens NX）創(chuàng)建模型，并將其導(dǎo)出為實(shí)體，可以是其本機(jī)格式或如STEP之類的通用格式。

然后，工程師將這些模型導(dǎo)入3D打印軟件，然后我們的批量化增材制造生產(chǎn)運(yùn)營的挑戰(zhàn)就出現(xiàn)了。

今天市場上的許多軟件解決方案僅適用于網(wǎng)格面片數(shù)據(jù)，這意味著在開始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備之前，任何實(shí)體模型都必須轉(zhuǎn)換為STL。從CAD數(shù)據(jù)開始的轉(zhuǎn)換可能需要數(shù)小時，而生成的STL模型也仍然可能產(chǎn)生不可控的數(shù)據(jù)大小、讀取、編輯等問題。

一位客戶的熱交換器STL文件，大小為34 GB，而原始CAD文件只有158 MB。加載一個34 GB的文件可能需要數(shù)小時，而加載158 MB的文件只需幾秒鐘。

更甚的是，這樣大小的數(shù)據(jù)文件很難進(jìn)行后續(xù)處理。即使我們的計(jì)算機(jī)配置可以處理34 GB大小的模型數(shù)據(jù)，我們?nèi)悦媾R由于格式轉(zhuǎn)換、帶來的模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)偏差。畢竟STL只是CAD模型的近似組合。像火箭引擎中的微小通道這樣的工程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，有很大的可能無法正確轉(zhuǎn)換成STL數(shù)據(jù)。

如果可以直接在3D軟件中加載并繼續(xù)使用實(shí)體模型或任何其他幾何形狀，就可以避免上述這些問題。3DXpert是以CAD為核心構(gòu)建的，因此3DXpert的用戶無需擔(dān)心數(shù)據(jù)完整性丟失、漫長的轉(zhuǎn)換或文件修復(fù)問題。只需導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件，就可以開始工作。

DfAM 增材制造設(shè)計(jì)
有了加載的3D模型，制造企業(yè)可以開始使用DfAM工具以提高零件性能。DfAM（增材制造設(shè)計(jì)）賦予我們無法通過傳統(tǒng)制造方法實(shí)現(xiàn)的一系列可能性。例如晶格設(shè)計(jì)，可用于減輕汽車零件或航空零件的質(zhì)量，或增加熱交換器的性能；我們也可以使用拓?fù)鋬?yōu)化對支架進(jìn)行輕量化優(yōu)化。

（Emerson為控制閥打印關(guān)鍵的服務(wù)部件，最初采用了一個需要不必要的格式轉(zhuǎn)換的多軟件工作流程。通過3DXpert，他們“消除了大量的軟件操作”并實(shí)現(xiàn)了“保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性和從工作流程中消除冗余”的目標(biāo)，據(jù)Emerson的增材制造研發(fā)經(jīng)理Tom Gabriel表示。）

并非所有的3D打印軟件都具備這些功能，因此產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)或許被迫將另一款軟件引入工作流程以生成晶格。更多的軟件使得實(shí)現(xiàn)工作流程中追溯性變得更加困難，并增加了數(shù)據(jù)完整性受損的風(fēng)險。由于文件存儲在各種軟件解決方案中，將文件的正確版本迅速提供給整個團(tuán)隊(duì)變得更加困難。

但DfAM應(yīng)該是增材制造的一部分。也許我們不會在每個項(xiàng)目中使用它，但有這個選項(xiàng)是至關(guān)重要的。3DXpert帶有一系列晶格、表面翅片、填充的參數(shù)化功能，以及隱式建模和隨形管道設(shè)計(jì)功能。3DXpert 的用戶可以快速優(yōu)化零件并保持文件的可追溯性。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 - 3D打印遇到自動化
數(shù)據(jù)準(zhǔn)備涉及一系列步驟，特別是在打印大量相似零件、或進(jìn)行高價值零件的多次設(shè)計(jì)迭代時，這些步驟可能非常重復(fù)。

無論何時有重復(fù)、規(guī)范性操作需要，都存在自動化的可能性 —— 而3DXpert配備了許多用于此目的的工具。

首先是支撐結(jié)構(gòu)，這是3D打印的“陰暗面”。支撐結(jié)構(gòu)對于打印懸空部分或橋梁，將零件固定到基板和及時散熱等因素，都是必不可少的。然而，支撐結(jié)構(gòu)會因?yàn)轭~外的材料使用和后期處理工作而增加生產(chǎn)成本。

通過支撐方案的優(yōu)化和自動化，制造企業(yè)可以顯著節(jié)省時間和材料。3DXpert允許您找到一個平衡點(diǎn)，既能夠確保成功打印，又不浪費(fèi)材料。

通過支撐模板、元模板和腳本等功能，3DXpert的用戶可以將相同的策略應(yīng)用于相似的零部件的數(shù)據(jù)處理中。即使客戶在初始打印后的一個月內(nèi)提出工程設(shè)計(jì)和工藝變更，仍然可以通過用新零件版本替換舊版本來應(yīng)用所有相同的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備預(yù)設(shè)。

先進(jìn)的成型仿真
一旦生成了正確的支撐設(shè)計(jì)，用戶將希望提前驗(yàn)證零件在打印過程中的狀態(tài)和行為，以在生產(chǎn)缺陷發(fā)生之前識別問題。成型仿真對于減少3D打印成本至關(guān)重要，特別是在諸如直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）等成本昂貴的工藝中。

然而，值得注意的是，并非所有的3D打印軟件解決方案都包含成型仿真功能。許多制造企業(yè)最終在其工作流程中添加了一個單獨(dú)的軟件，同時也引入了潛在的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換風(fēng)險，及額外的對員工培訓(xùn)的需求。

值得注意的是，3DXpert擁有集成到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備中的先進(jìn)成型仿真引擎，允許您減少與處理多個獨(dú)立軟件工具相關(guān)的錯誤或低效性。

3D打印批量生產(chǎn)
在工作流程的最后階段，是時候進(jìn)行切片、路徑填充、打標(biāo)和排版了。這些是標(biāo)準(zhǔn)3D打印軟件可以執(zhí)行的操作，但批量化生產(chǎn)中所需的靈活性和效率是使之與眾不同的關(guān)鍵。

以切片為例。這是3DXpert節(jié)省時間的最大機(jī)會之一。從像按需定制制造服務(wù)商到Agile Space Industries這樣的航天推進(jìn)器制造專家，許多用戶都看到了使用3DXpert大大減少的切片時間。

Agile Space的增材制造總監(jiān)Kyle Metsger表示，“使用3DXpert切片，我們在從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到機(jī)器的整個過程中看到了60%到70%的時間縮短”。

3DXpert充分利用了多核和GPU加速。用戶可以將切片和成型仿真過程卸載到具有多個核心的專用硬件上，從而使工程師可以專注于本地工作站上的其他活動。另外，用戶也可以簡化串行生產(chǎn)，因?yàn)?DXpert允許僅重新切片新零件的打標(biāo)，而其他一切保持不變。

切片器和孵化器的另一個優(yōu)勢是它們的靈活性。無論需要為打印機(jī)提供即插即用的參數(shù)集還是最終的定制，3DXpert都可以滿足制造企業(yè)的需求。

由于它是面向設(shè)備的特性，制造企業(yè)可以在各種打印機(jī)上使用3DXpert。3DXpert為多個機(jī)器供應(yīng)商提供直接切片功能，并通過軟件開發(fā)工具包（SDK）提供OEM切片器連接性。這使制造企業(yè)能夠以特定3D打印機(jī)能夠理解和使用的格式導(dǎo)出文件。

一旦零件被切片，可以運(yùn)行熱成型仿真以檢查并補(bǔ)償任何變形或過熱層。根據(jù)成型仿真結(jié)果，創(chuàng)建特定層次的等待時間，以提高效率同時實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定性。

用3DXpert助您邁入制造的未來
不斷涌現(xiàn)出新的應(yīng)用案例似乎預(yù)示著增材制造正在更多地影響制造生產(chǎn)模式。但如果沒有正確的工具，增材制造也是一個可能成本高昂且耗時的過程。

如果您剛開始3D打印之旅或希望提高現(xiàn)有設(shè)置的效率，3DXpert通過其工作流程每個階段的最佳功能，將您置于成功的道路上。您可以通過在一個軟件環(huán)境中完成所有流程來簡化生產(chǎn)，最大化效率，并避免昂貴的錯誤。