视角 | 仿真技术赋能金属增材制造

* 本文原刊登于智能制造媒体咨询研究机构e-works：《仿真技术赋能金属增材制造》

通俗来讲，增材制造技术是采用材料堆积叠加的方法制造三维实体的技术，相对于传统的材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”的新型材料成型方法。作为一种数字化三维实体快速自由成形的制造新技术，增材制造技术不仅提供了新的制造加工工艺方法，更实现了结构设计、高性能材料制备、复杂构件制造的一体化，并为宏观上的结构设计和微观上的材料制备带来革命性的变化。

随着增材制造技术不断突破，尤其是金属增材制造技术的应用和增材制造服务的兴起，有效支撑企业制造复杂的金属零件，彻底变革着制造模式。这其中，将仿真应用到增材制造中，不仅能确保最终产品满足性能标准，还可仿真整个增材制造过程，最大限度降低增材制造的失败风险。

Ansys增材制造总监Brent Stucker博士在接受e-works采访时指出，金属增材制造正在成为一种广泛应用的制造工艺，同时改变着企业向市场投放产品的方式。而仿真技术与金属增材制造技术的结合，有助于应对金属增材制造的挑战与风险，从而打印出功能更强大、更轻量化的产品和部件。

金属增材制造火箭发动机

从原理上来看，增材制造技术可以把形状复杂的三维实体分解为一系列二维制造的叠加，不需要模具，直接进行样品原型或直接零部件的制造，缩短设计到成型的周期，提高生产效率及制造柔性，也正是由于该特点，使得增材制造技术受到全球范围的关注，特别是金属增材制造，可以给传统制造业带来巨大价值。

过去25年中，Brent Stucker博士一直在关注并研究增材制造技术的发展，撰写和合著了200多篇增材制造有关的技术出版物。

据Brent Stucker博士观察，金属增材制造技术在过去十年取得了惊人的进步，创造了巨大的价值。Brent Stucker博士说，“如今金属增材制造领域已有数十亿美元的研发投入，随着这些研发工作的成熟，我认为金属增材制造在不久的将来将迎来巨大的增长机会”。

事实上，金属增材制造正越来越多被应用于航空、汽车、医疗、科研等领域，激发出巨大的市场潜力。可以说，金属增材制造是现代制造领域的最大趋势之一，越来越多的企业开始探索和发力，包括3D Systems、Desktop Metalis、EOS、雷尼绍、Stratasys等主流3D打印厂商均在积极布局。

概括而言，金属增材制造对传统制造企业的价值主要体现在产品研发和制造方面。在产品的设计阶段，研发人员可以借助增材制造技术制作出相应的产品模型，在缩短产品研发周期的同时，大幅降低了产品研发成本；在产品的制造过程中，增材制造还可将传统制造流程中不必要的环节进行剔除，材料的利用率也得到了进一步提高；由于增材制造具有一次性成型的优势，打印出来的产品无需再次组装，从而缩短了产品供应链，节省了劳动力。

但同时，Brent Stucker博士认为金属增材制造在发展进程中存在几大关键挑战，诸如：为打印件构建最佳方向、创建最佳支撑、避免打印件失败、创建精确的打印件、最小化孔隙度、实现打印件的预期性能、优化机器工艺参数以获得最大的生产率，并确保机器在制造零件时按预期操作等等。

其他制约金属增材制造发展的因素还包括材料种类和价格、高尺寸精度、增材制造设备等。首先，打印材料还有待拓展。因为金属打印材料要求比较高，既要利于原型加工，又需具有较好的后续加工性能，还需满足强度、刚度等不同要求；

其次，打印件的尺寸精度和质量要求较高。打印件的大尺寸和高精度是增材制造技术的重要方向。只有打印件的尺寸精度和表面质量达到传统机加工水平，才能大规模普及发展；

第三，制造精度与制造速度的平衡。由于增材制造是分层叠加制造而成，当分层厚度小时，打印件精度较高，但成形时间较长，如果缩短成形时间，则容易加大打印件的阶梯误差；

另外，制造成本和耗材成本仍较高。由于增材制造工艺专用材料有限，且需经过特定的制备过程，因此材料价格均较为昂贵，提高了制造的整体成本。

工业4.0时代，随着增材制造的应用普及和快速发展，仿真技术所起的作用越来越不可或缺。

特别是因为金属增材制造的试错成本巨大，因此金属增材仿真工具对企业控制成本具有举足轻重的影响——利用仿真技术提前获取增材制造产品的性能，是解决金属增材工艺质量的重要手段和方法；通过****并在此基础上进行工艺优化，可降低增材制造的失败概率，同时不合格产品的数量和试错次数也大为降低。

在Brent Stucker博士看来，仿真的魅力在于它能够分析整个增材制造从最早期的设计到成品全过程。企业不但可以依赖传统仿真工具，以确保最终产品满足性能标准，而且它们现在还可以借助新的工艺仿真解决方案模拟生产过程。

在金属增材制造工作流程中，Brent Stucker博士认为仿真技术的优势最主要体现在新材料、新设计和新生产流程三个方面。

对于新的材料，仿真技术可以帮助用户开发工艺参数，以便更快地将新材料应用到增材制造机器中，减少错误；对于新的设计，仿真技术可以使用拓扑优化来创建新的形状，还可以通过对设计师使用增材制造的可制造性以及设计在最终产品/系统中的有效性反馈来指导设计者；在新的生产流程中，仿真技术可以指导设计人员将以前的设计经验（例如载荷、传热、流动等）复用到高度复杂的产品中，以减少增材制造过程中的制造和装配步骤，这其中，多物理场仿真尤为关键。

可以说，正是有了仿真技术的助力，与传统制造技术相比，金属增材制造技术具有许多不可取代的优势，包括能够制造出用传统方法制造不出来的部件和结构，例如内部结构复杂或有机形状复杂的部件；单个增材制造件可以替代多部件装配体；可以设计和生产出性能更好的部件，并且材料利用更有效；此外，可以按需制造金属替换部，无需整个工厂和多台机器；生产具有独特属性的新型材料；替换已经停产的磨损或损坏部件等。

Brent Stucker博士告诉e-works记者，金属增材制造对传统制造企业的意义重大，从早期设计评估的模型到大规模生产的模具，再到直接零件制造，再到用于装配操作的夹具等等，它都显示出了巨大价值。某种意义上来说，金属增材制造技术具有改变企业竞争格局的潜力。

正是基于这样的出发点，Ansys于2017年收购了金属增材制造仿真技术领导者3DSIM。那么，在收购3DSIM后，Ansys如何实现3DSIM的增材制造仿真解决方案与Ansys已有技术的结合呢？

Brent Stucker博士介绍，3DSIM团队在收购后随即并入Ansys Mechanical业务部门，并且开发了统一的增材制造工艺仿真套件Ansys Additive Suit，其中包括Ansys原有求解器（如MAPDL）和新的3DSIM求解器功能。这一组合提供了业界最广泛的增材制造仿真工具，使得用户可以考虑整个增材工艺链的各个环节，包括拓扑优化、部件验证、打印设置、工艺过程仿真、支撑生成、打印失败预防、微观结构预测等，帮助完成高质高效的增材制造工艺设计而无需昂贵而耗时的试错过程。

Ansys面向金属增材制造推出的仿真解决方案

此外，Ansys推出了内置于SpaceClaim的Additive Prep工具，用户可以被引导完成定向优化、支持生成和构建文件准备的过程。

借助Ansys Additive Print和Workbench Additive工具，用户可以预测增材制造过程中的零件变形并进行自动变形补偿，同时还可以预测应力和预测热应变，自动生成支撑件等。需要说明的是，Workbench Additive是集成在Ansys Workbench环境下的增材仿真工具，面向产品设计工程师和分析人员，与拓扑优化形成无缝流程，帮助他们保证可进行增材制造的更好设计。

在Ansys Additive Science中，Ansys可以帮助科学家和工程师确定金属增材制造机器和材料的最佳参数，为现有和新材料创建最佳工艺参数、控制微观结构和材料属性、使用新型金属粉末更快更高效地进行制造等等，用户可通过预测零件的微观结构参数，快速开发出零件的机械性能组合。通过预测机器中的热传感器测量的过程是否正确，帮助用户确定机器是否按预期运行。

Brent Stucker博士强调， “过去的几年里，Ansys在拓扑优化方面投入了大量资金，提供了传统的SIMP方法和以往通过Level-set才能实现的新功能。我们还集成了拓扑优化工具和增材制造工具，让用户能够在他们的模型上设置增材制造特定的约束。”

另一个值得一提的创新是，Ansys将这些工具集成到由GPU驱动的实时仿真环境Discovery Live环境中，当设计师改变设计时，他们可以实时了解流体流动、载荷、热传递等的变化。

面向材料领域，Brent Stucker博士介绍，Ansys做了许多额外的研发工作，以向材料科学家和工程师提供有关增材制造的预测能力。Brent Stucker说， “在每一个软件版本更新中，我们都希望增加与材料科学相关的价值。”

对于金属增材制造的发展趋势，Brent Stucker博士很笃定：“未来5到10年，增材制造将会成为企业开展竞争的必备利器，而未采用这种实践方法的公司可能会望尘莫及。正因为如此，Ansys不断完善面向金属增材制造的工程仿真技术，帮助我们的客户和整个产业实现共赢”。

Brent Stucker博士指出，随着金属增材制造得到更广泛的普及，其能够实现的价值潜力无限——既能够促进企业内部的协作、减少设计周期的时间与成本，同时让工程师能够大胆去创造和实现极具创新的产品。

2015年成立的初创企业Relativity Space有一个独特的愿景：把利用增材制造技术制造的火箭发射到太空。Relativity Space设计的Aeon火箭发动机仅包含100个部件，三次打印操作即可完成制造。为完成这一高难度的挑战，Relativity Space借助Ansys Mechanical、Ansys Fluent等对发动机内部的结构应力、喷射单元、冷却孔等进行仿真，除此之外，Relativity Space还全面应用了Ansys Additive Suite，仿真优化从材料成分到机器设置的整个增材制造过程。

Relativity Space金属增材制造的Aeon火箭发动机

对于开始尝试和探索增材制造技术的企业来说，应如何制定其增材制造战略呢？Brent Stucker博士建议称， “对于一家制造企业来说，想弄清楚如何利用增材制造技术是一件复杂的事情。为了探索增材制造，我建议他们组建一个高水平的团队，以洞察机会为目标，并领导增材制造技术的部署。这个团队通常需要几年时间，直到增材制造在需要它的各个部门中根深蒂固。我经常建议企业积极参加专业会议、增材制造用户社群以及各种展会，研究应用程序、技术和软件工具的发展。当然，引入一个外部咨询小组来也会很有帮助。”