专访增材制造仿真龙头：金属3D打印将像铸造、锻造一样普及

南极熊请读者思考一个问题，如果金属3D打印工艺成熟，成本也比较低了，像铸造、锻造一样普及的话，那么这个市场容量会是多大呢？

现在中国金属3D打印设备厂商、材料厂商、服务厂商层出不穷，越来越火，南极熊看到了不少新面孔；但是，软件类的不多。金属3D打印的应用难度和门槛都很高，即使是使用相同品牌和型号的金属3D打印机，不同的用户，使用效果差别也非常大。不像我们所熟知的平面打印件，只需要打开文档，即可把内容打印到纸上。

金属3D打印的使用，打印件模型面向增材制造的设计和工艺仿真，显得至关重要。如何保证增材制造打印件的质量和成功率是当前急需解决的一个问题。增材工艺仿真的出现，可以实现在制造前对打印工艺过程进行仿真计算，进而预测打印完成后的真实状态并进行工艺优化。


2018年3月中旬，南极熊来到安世亚太公司北京总部（安世亚太是我国工业企业研发信息化领域的领先者、新型工业品研制者、企业仿真体系和精益研发体系创立者,在虚拟仿真行业排名第一），专访了全球金属3D打印拓扑优化的领导厂商ANSYS及中国合作伙伴安世亚太。


△美国ANSYS公司结构产品技术总监Dave Conover（左）、安世中德咨询公司技术总经理 包刚强（右）

美国ANSYS公司，在全球工程设计仿真软件方面，实力数一数二。2017年11月，ANSYS收购了增材制造仿真企业3DSIM，成为增材制造工艺过程仿真的领导者，并推出ANSYS增材制造工艺仿真套件——ANSYS Additive Suit。

ANSYS面向增材制造的设计和工艺仿真提供了完整的解决方案，使得用户可以考虑整个增材设计制造链的各个环节，包括拓扑设计优化、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。例如在试制一个航空航天相关的金属零部件过程当中，往往需要使用金属3D打印机打印好几个版本的样件，如果充分应用设计和工艺仿真技术，则可以减少打印的版本次数。


3D打印技术可以充分发挥现代拓扑优化和轻量化结构设计优势，实现复杂的拓扑优化金属件的制造，让零件重量大大降低（轻量化），带来更好的操控性,发动机输出的动力能够产生更高的加速度，节约能源。南极熊甚至看到，北京鑫精合，把拓扑优化当做整个3D打印金属服务体系最为重要的理念和目标。


记者：ANSYS收购3DSIM之后，有何布局？
Dave Conover：ANSYS希望通过解决方案可以把增材制造技术更成熟化，如同做铸造、锻造这样的工艺。金属是3D打印未来的方向和重点，是一个核心，潜力巨大。金属打印需要面对不同打印件的形状，ANSYS解决方案可以帮助解决其中的难题，从而让金属3D打印成为广泛应用的一种制造工艺，并将这样的技术推广到各个国家。


记者：安世亚太与ANSYS在金属3D打印工艺仿真解决方案上如何合作？
包刚强：增材制造的完整解决方案是对增材工艺的发扬光大，增材制造不仅仅是个工艺技术，更是一种增材思维，整个解决方案从设计端的拓扑优化，到CAE系统分析，并利用仿真分析快速找到合适的工艺参数，帮助企业把产品制造出来。这方面，安世亚太会跟ANSYS总部做更紧密的合作，目前几个层面的合作已经在开展：
①拓扑优化的合作。ANSYS拓扑优化，从17.0一直开发到19.0 ，我们一直在提一些建议，基于中国的用户对拓扑优化的需求，从拓扑优化乃至将来形貌优化，形状优化都在做些研发，包括拓扑优化的核心算法会在通用的SIMP算法扩展到水平集上，同时跟ANSYS一起，提供相关培训，希望把拓扑优化的方式方法尽可能推广给中国用户。
②从ANSYS尽可能拿到比较成功的基于增材设计优化在国外的成功案例，我觉得这些案例能给我们带来很多的启发，帮助中国企业在增材制造、智能制造过程中，找到关键技术点、关键级产品，用我们这套解决方案帮助中国企业实现增材先进设计。
③增材工艺过程方面，ANSYS总部也是给了我们安世亚太很大的权限，我们独家在中国推广这套解决方案，同时ANSYS也从技术和开发的角度都给我们了大量的支撑、支持，聚集国外ANSYS开发专家的支持，有助于我们更好的开展增材方案的推广。


△案例：ANSYS增材仿真套件用于确定部件变形并据此在打印前进行工艺补偿设计。初始设计在打印完成后结构上部出现很大的凸起变形，ANSYS增材仿真套件基于初始几何以及计算预测的变形，建立了变形补偿的STL文件并用于3D打印机，最终打印出的零件精确符合设计要求。

记者：怎么帮助中国企业、用户把增材制造解决方案落地？
包刚强：安世亚太有几种方式方法：
①通过我们的高校培训计划与教育部合作，目前正在体系性的从顶层进行增材人才相应的培训标准，方法和体系做对应的对接规划。长城计划即将推出增材先进设计的课程，课程覆盖有限元分析，优化技术，增材制造工艺过程，乃至整个增材先进设计方法、思路、体系，我们希望通过高校毕业生更好地将增材先进设计方法带入到企业中去。
②今年，作为我们基于增材先进设计解决方案的开端，我们有专门的增材解决方案专场，提供专业的内容，分享给ANSYS的用户，当然不仅仅是ANSYS的用户。从市场角度，安世亚太也会有系列的市场活动安排，包括增材相关的展会等，我们会将增材制造解决方案、思路通过更多地渠道传递给企业。
③通过系列的培训，我们可以给企业提供免费的培训，也可以提供定制化的收费培训，CAE高级应用专题，拓扑优化，参数优化这样的很直接的先进设计技术，增材工况过程仿真等培训。
④提供专业服务，我们会有实实在在的产品，与用户一起，把增材先进设计的思路，从头到尾走一遍，从材料选择、产品部件选择、工况定制，再到优化、分析校核，再到工艺过程仿真，再到与用户一起制造出来，做实验，确实通过整套流程为用户带来真正的价值。通过一系列服务，帮助企业把整个流程应用到他们的产品制造中。



记者：ANSYS在增材制造软件领域具有怎样的技术优势？面对拓扑优化和3D打印结合，ANSYS的竞争优势如何体现？
Dave Conover：ANSYS作为物理仿真的领导者，具有很强的物理仿真技术能力，针对拓扑优化和3D打印结合中间会有一个典型应用流程，ANSYS在整个过程、流程中，会针对如何帮助用户在设计层面到物理层面、打印层面，通过对物理仿真的理解，提供完整的解决方案。物理仿真是最强的差异性。
①在拓扑优化领域，最核心的是CAE物理仿真的合理性，或者模型以及功率的强大，ANSYS在CAE仿真的维度，有很好的基础，拓扑优化基于这个基础再去衍伸具有很大的优势，拓扑优化自身的算法，变密度SIMP法，其实其他的软件也是用类似的这样的算法，但是最大的核心，在于涵盖的物理场有多少，ANSYS是多物理场的典型领导者，市场上很多其他解决方案缺乏对物理场涵盖的全面性。②这里强调的是整个的流程，从材料、设计再到拓扑优化再到校核，再到工艺过程的仿真，ANSYS是真正想把完整的解决方案铺开，而市场很多方案是单独和孤立的。



记者：有些CAD厂商纷纷推出Generative Design（创成式设计或衍生式设计）产品，其核心也是拓扑优化技术，从设计角度和从 ANSYS仿真角度看，有什么差异化？
Dave Conover：这些厂商主要聚焦于结构相关的优化，对于ANSYS来说，结构当然是非常重要的一块，但是同时还有其他的物理环境也非常重要，比如振动，热，流体等，ANSYS会更关注整个物理环境的重要点。

记者：仿真技术如何降低金属3D打印的成本？
Dave Conover：ANSYS解决方案的核心目的是降低研发成本。
①通过这个技术在前期就能分析出来打印后有什么样的变形，整个打印件的支撑设计，如何优化打印方式，使得打印出来的变形问题最小化。
②针对设备，跟设备的结合，设备的参数，打印的粉末，用什么样的扫描策略，基本上从前期仿真模型到设备，对应进行优化组合，将少参数组合带来试错的代价。
这两部分是核心。
例如通过优化支撑，把激光或电子束扫描路径尽可能优化，通过虚拟的传感器 ，获取温度，这些都是仿真在工艺过程试制上具体价值的体现。


记者：ANSYS增材制造仿真软件的使用，难度怎么样？
Dave Conover：在国外，比较新的技术，主要还是一些专家人员在做。随着3D打印的推广，机器设备的应用，包括后面需要材料专家评判打印出来的产品性能，需要从物理层面做仿真分析，难度是不同的。简单的应用，如可以操作机器设备的操作员或工艺工程师，需要打印出来一个零部件，就可以使用相关的工具在不需要了解太多技术背景情况下就可以很快仿真分析出计算结果，帮助到真实打印中。增材科学模块门槛就比较高，通过该模块，可以做材料的微观分结构分析，帮助判断设备本身的集成性。
概括来说，ANSYS增材制造仿真工具主要分三块：
①workbench 增材分析模块，这个是为设计者使用的，使用门槛不高。
②ANSYS 增材打印模块，这个是为增材设备操作人员，工艺工程师使用准备的，使用门槛低。
③ANSYS 增材研究模块，这个是为增材材料专家， 工艺专家使用准备的，使用门槛相对偏高。
三块针对不用的对象和使用者，有不同的使用要求。

总的来说，南极熊觉得，安世亚太作为我国最大型的工业仿真企业，本身就积累了大量的客户。安世亚太与ANSYS的合作由来已久，有20余年的合作历史。此次与美国ANSYS在增材先进设计方面的深层合作，将会把金属3D打印逐渐深入应用到更广泛的工业领域，对我国金属3D打印应用落地有着重要意义。

如果你对ANSYS 增材制造工艺仿真套件感兴趣，可联系安世亚太或南极熊。