3D列印應用領域的應用軟件。作者：Digital Alloys

應用軟件與統計數據互相變異

在制造自然環境中為的是有效率實行3D列印，須要用作內部結構設計、模擬、后處理、博爾茲納區、鍛造、檢查產品質量管理工作的應用開發工具。

l 內部結構設計（CAD）

賈伯斯(Steve Jobs) 曾說過，21世紀末最合適的控制技術創新是將生物化學與控制技術相交疊。輕工業鍛造應用領域許多零配件或機械設備的內部結構設計都從生物化學中獲得的意念，比如潛艦的內部結構設計從鱷魚體型或眼部內部結構中獲得的意念….這種的范例在輕工業應用領域除了許許多多。

那么，為什么我們須要將生物化學的概念引入鍛造中呢？大自然創造的生物內部結構巧妙而復雜，人們如何將這些大自然的作品“復制”到輕工業鍛造中呢？

日益發展的智能化內部結構設計應用軟件與3D列印控制技術為我們提供了一條創造仿生內部結構的捷徑。市場上存在一類特殊的內部結構設計應用軟件，稱為“創成式內部結構設計”以及“拓撲優化”（GD / TO）應用軟件，可定義加載方案，設定邊界條件和內部結構設計約束條件下優化零件幾何形狀，以實現所需的性能。該應用軟件依靠計算機迭代與模擬來完善零件的幾何形狀，將CAD內部結構設計規則與來自計算機輔助工程（CAE）工具的模擬相結合。

創成式內部結構設計可以幫助內部結構設計師優化零件強度重量比，可以模仿自然內部結構發展的方式，創造出最強大的內部結構，同時最大限度地減少材料的使用。

創成式內部結構設計是一個人機交互、自我控制技術創新的過程。根據輸入者的內部結構設計意圖，通過”創成式”系統，生成潛在的可行性內部結構設計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出內部結構設計方案推送給內部結構設計者進行最后的決策。

“創成式內部結構設計”以及“拓撲優化”GD / TO應用軟件的領先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西門子的Solid Edge ST10和Paramatters等。

l 模擬（CAE）

產品上市時間的縮短、研發周期的縮短，以及新產品發布速度的提升使鍛造業用戶面臨著持續增長的控制技術創新壓力，當今產品的復雜性和多樣性也在日益提高，這給產品研發帶來了壓力。

根據安世中德工程模擬高級咨詢專家的寇曉東博士，一方面增材鍛造為內部結構設計帶來的自由度，將模擬的應用提到了產品內部結構設計的前端，從內部結構設計最早期就發現并解決內部結構設計缺陷，增材鍛造為正向內部結構設計提供了工藝基礎；另一方面模擬控制技術能夠激發增材鍛造的潛能。

在3D列印的情況下，CAE不僅用作優化內部結構設計，而且還用作預測鍛造過程、優化鍛造過程和開發新材料。由于3D列印涉及的物理復雜問題，CAE應用軟件可以幫助緩解產品質量問題的許多潛在原因。根據安世中德的控制技術總經理包剛強，增材鍛造模擬的應用價值體現在改善、減少和開發幾個方面。改善，包括改善金屬增材鍛造內部結構設計流程、對工藝過程的了解、機器制造效率、材料利用率、可重復性和產品質量；減少，包括減少列印失敗，列印時間，不合格零件，后處理，試錯，設備維護和對自然環境的負面影響；開發，包括開發新材料，新機器，新參數，個性化微觀內部結構和期望的材料屬性。

可以說模擬對于3D列印至關重要，滲透到從建模到前饋控制，再到過程控制、材料開發等3D列印工藝鏈的方方面面。

隨著3D列印-增材鍛造控制技術的不斷成熟和應用，通過CFD和FEM在鍛造前預測性能、優化內部結構設計并驗證產品行為，零件經過內部結構流體特性拓撲優化、內部結構拓撲輕量化以及尺寸優化內部結構設計之后通過增材鍛造控制技術加工出來。CFD、FEM控制技術與3D列印-增材鍛造控制技術相得益彰，互相成就，共同推動零件實現性能升級。

除了用作改善整體列印產品質量外，CAE工具在幫助優化諸如列印速度以及能量和材料輸入等參數方面也起著重要作用，這些參數是3D列印經濟學中的重要因素。CAD和CAE的結合變得越來越緊密無縫，建模與模擬的無縫結合正成為大勢所趨，在這方面，歐特克（Autodesk）2019年11月就宣布了與輕工業模擬應用軟件企業ANSYS 之間的下一步合作關系，雙方將建立起內部結構設計應用軟件與模擬應用軟件的無縫互操作性，為鍛造用戶帶來革命性的內部結構設計與工程敏捷性。這種合作可以實現增強創成式內部結構設計等新的自動化流程，而自動化的流程將縮短產品上市時間，使多個工程團隊可以更為順暢的地一起工作。

l  鍛造處理（CAM）

確定零件構建方向：在零件中確定零件方向的最佳方法取決于多種因素，例如精度和表面光潔度要求、工藝、支撐內部結構等。CAM可以建議最佳構建方向，但通常也須要用戶輸入。

支撐策略：支持零件有許多不同的方法，最佳的支撐內部結構取決于其幾何形狀，過程，材料和其他變量。在大多數CAM應用軟件中，此步驟在很大程度上是自動化的。

加工余量：為的是達到所須要的高表面光潔度和精度要求，通常須要預留一定的加工余量。這些余量通過機加工等后加工過程被去除。

零件布局：某些3D列印過程可以一次列印許多零件，分布在整個基板上，也可以堆疊在z軸上。CAM應用軟件有助于嵌套零件，從而使每次構建的零件數量最大化。

加工策略：完成上述所有步驟并選擇了列印參數后，CAM應用軟件將生成G代碼，該代碼將發送至列印機以執行列印過程。

l 工作流程（MES / ERP / PLM）

鍛造工作流程應用軟件已在常規供應鏈中使用了數十年。該應用軟件的類別包括鍛造執行系統（MES），企業資源計劃（ERP）和產品生命周期管理工作（PLM）。

走進任何，您將發現同樣的挑戰：許多企業還在使用Excel表格管理工作整個鍛造過程，那些包含關鍵統計數據的Excel電子表格被存儲在各個團隊成員系統的本地硬盤上。唯一集成到業務的其余部分是公司服務器上的文件共享。雖然許多企業正在使用企業資源規劃（ERP）系統，為公司的每個部門提供可視性，但ERP卻是“跳過”車間加工環節的。

雖然3D列印工藝有著其特定的需求和具體的挑戰，但是如果用戶真的愿意接受3D列印作為一種鍛造控制技術，它就不能作為一個孤立的孤島來運作。

正如3D科學谷在《一張圖看懂國際3D列印產業鏈》中所提到的，在過去幾年中，隨著3D列印控制技術走向輕工業制造，除了內部結構設計應用軟件和模擬應用軟件之外，與3D列印相關的應用軟件中出現了兩個關鍵的新類別：工作流程和安全應用軟件。工作流程應用軟件對增材鍛造工藝來說同樣重要。鍛造企業在將增材鍛造控制技術納入制造的過程中，對工作流程應用軟件的需求將不斷增加，這類應用軟件可以管理工作增材鍛造過程中所涉及的制造步驟。工作流應用軟件的前景在過去五年中不斷發展，現在許多應用軟件供應商都提供了管理工作增材鍛造工作流的解決方案。

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