安世中德包刚强：《增材思维驱动的增材先进设计与工艺仿真一体化解决方案》

安世中德（北京）咨询有限公司技术总经理包刚强：《增材思维驱动的增材先进设计与工艺仿真一体化解决方案》的主题演讲。南极熊3D打印网小编现场聆听了专家们的演讲。下面是现场速记的文字记录。

    包刚强：各位专家、各位嘉宾，大家下午好！
    非常容幸有这样的机会，跟大家分享一下我们公司对于增材思维驱动的增材先进设计与工艺仿真一体化解决方案与部分应用案例。我分五个专题介绍。
    增材制造有十大优势，在这里面最核心的优势我们认为是数字化表达，增材的数字主线在工业层面，我们发现有五个底层架构去支撑，从标准、规范以及到打印的方法、对应的技术以及对应的软件平台和硬件设施。在这五大技术支撑上，增材工艺分八个阶段，从最开始基于DFF设计产生了设计产品，通过它面向化网格，切片、支撑乃至打印，以及最后我们做后处理，后面做简材。这八个阶段每个阶段都跟数字化驱动。
    以数字主线驱动工艺流程，很容易就衔接产品的开发整个系统里面四大阶段，从最开始产品的设计，到加工、监测，再到后处理以及整个产品的监测简材，以及到最后去安装、运营，我们的产品以及数字化，由于它的数字化表达，使数字模型和物理模型是息息相关的。在打印以及监测过程中，打印整个过程中的表现，我们通过仿真，通过数字模型也可以表达。监测中温度传感器的摆放，实际上仿真提供了这个过程中温度优化的一些位置、一些点，我们可以用数字孪生结合。以及后处理和简材，都有一定的数字模型和实际模型，乃至到最后的运营、安装、装配。
    另外一个数字化里面的优势，就是刚才康硕集团李总提到的，增材分布式制造带来的基于大数据的云制造。好处不言而喻，结合区块链，实际上以前五大劣势由于区块链可以衔接上，不管从数据的分享，乃至到知识产权的保密，以及数据的实施更新，乃至可追踪性，区块链正好能够衔接以增材制造云制造的方式弥补。我相信这两大优势是增材将来比较重要的优势。
    第二部分，我想分享的是增材先进设计。
    我们要以增材思维来看整个过程，就如先临三维李总说的，实际上增材过程其实是有很多限制的，要把增材的潜力、优势充分发挥出来，在这个过程中要充分利用增材在各个环节的优势，避免它的限制和劣势，才能使得怎才价值最大化。我们以往的等材和简材的工艺，产品设计使得我们基于DFF方式去设计，增材基于功能产品设计出来，在DFF基础上我们去考虑DFAM。包括仿生设计、创成式设计，包括其他的一些设计，它会有一些交叉。比如创成式设计，设计其实是工程师设计了，然后用软件把这个过程记录下来。创成式设计是通过模型用软件去设计，找到最优的设计，未必是最优，没有最优，只有相对优化的设计方案。拓扑优化其实也是创成式设计里面优化的一种途径。
    我们来看一下基于增材出发DFF的分析。这里面数字驱动是非常明显的，我们一个产品的设计最开始是有需求的，是有它的功能的，基于它的功能我们会梳理一系列的需求。如果产品的开发和产品的研究、产品的设计是以DFF方式出现，我们会有不同的驱动，不同的产品有不同的需求，包括背后物理性的需求在中间把产品最大化的实现，以往设计我们考虑到工艺的因素，我们的设计往往通过经验和工艺的限制设计产品，以往的经验也是以它为驱动。如果我们考虑增材，我们需要用物理驱动的方式获取到产品的性能，以这样的性能去设计新的产品，而增材工艺又能把它实现。所以AM技术使得我们正向设计有了更大的可能，而且减少了AM设计的次数，我们可以去闭环，快速去验证我们的性能。
    一个产品的性能其实是多种性能，我们物理求解器，平台和功能至关重要，一起对应的产品对于物理性能的理解，对产品的认识，决定了我们的程度以及仿真的合理性，以及仿真的精度，这中间需要大量的经验，不仅仅是一个软件平台，就能够使得我们非常好、非常可靠，但是我们的软件平台往往又是很基本的一个基础。
    再来看dfAM，增材有它的限制，不管以现有的工业产品去选，该怎么样做基于增材的设计？以往的加工方式，工艺考虑的设计，我们要充分去评估，我们总共列了14个不同的专题，去评估我们如何基于dfAM使得我们的价值最大化。比如从材料的可打印性、可行性，再到后面一系列的评估，我们重点有三个纬度，一个是业务完整的评估，第二个是增材设计细节的评估，再到增材机会的评估。业务评估我们要考虑成本、周期，要考虑能耗的损失，要考虑简材，要考虑运输以及供应链，这是对于一个现有的工业产品完整的考虑，考虑清楚了我们选出的产品，它基于增材的设计、研发、开发乃至后面的制造、打印、简材才有完整的意义，才有近来。第二个很重要的是设计机会，我们要考虑基于增材，这个产品做了设计以后它的价值怎么样，一定要让它的价值最大化，不管是整合功能、多家融合，还是轻量化要求，提升我们的性能要求，还是可维护性等等，我们有很多这样的一些点。再到一些设计细节，在设计初期都要去考虑，比如基于dfAM打印有支撑，基于不同的工艺方式进行评估。这样才有可能满足增材价值最大化，才有可能是增材思维去驱动产品的设计。
    再来看拓扑优化。如同前面几位嘉宾和专家说的，拓扑优化是很主要的方式，使得真正的产品设计从原来的设计进行一定的优化。而现在我们的需求提了、功能提了、设计空间提了、边界提了，通过拓扑优化的方式能够优化产品。它可以在概念阶段和产品初步阶段设计出产品的个性化外形。拓扑优化设计不是一个新的概念，二十年来，尤其在结构上应用已经普遍，但是它也有很多挑战，尤其是拓扑优化核心的算法，现在仍在持续。拓扑优化核心算法，从建模的拓扑优化算法，一些方法还在不断研究，再到自身的优化算法，再到序列线性规划，以及二次规划，都有很多算法，但是这些算法到目前为止数字的稳定性还有很多问题，会带来拓扑优化的边界以及棋盘效应，乃至局部有一些极致的效应。所以这部分核心算法也在不断提升，还需要在这部分做很多的工作。
    第二块，如果我们把拓扑优化设计真正应用于设计工程，以往的拓扑优化需要仿真驱动，需要不断去替代，效率对设计工程是一个很大的问题。现在安世中德有一个解决方案，是Discovery Live拓扑优化，是用GPU加速，所见即所得的仿真结果以及改进的结果。我们接下来的一个版本中会把拓扑优化加进去，以往的分析可能要两个小时、三个小时才计算完，拓扑优化有可能时间更长，我们用GPU加速的方式，而且不需要画网格，不需要很多细节，很快速就可以得到拓扑优化，可能就是几分钟。而且随着GPU的加速，我们认为再过五年到十年，比CPU加速可能快千倍。将来一些产品的外形如何有一个很好的外形设计，来使得产品性能得到提升？这中间需要拓扑优化或者形状优化去驱动，乃至到将来电厂、电磁场的拓扑优化也有可能，而且这部分在高校已经做很多的研究，接下去我们完全可以想象，在多物理场景平台下，多学科和多物理场拓扑优化能够实现。
    再来看镂空结构设计分析系统，这是赋予我们仿真的方式去设计产品的可能性。点阵对不同的物理场对应不同的功能，比如可以去减少噪声，包括电磁的兼容、电磁干扰等等，在点阵设计里面都有很大的用处。乃至到点阵的仿真分析，比如用多尺度的仿真算法，设计好了如何去验证，从微观到宏观，再回到微观，我们团队和我们公司开发了一个专门的工具，可以基于我们的平台进行点阵的设计以及分析的途径。点阵还有很多值得去研究，尤其是点阵的一些破坏模式、点阵与增材打印的影响因素，以及点阵与仿真分析实验、解析分析等等，需要做很多的工作。
    下面再回到增材工艺仿真。我们知道增材，尤其是金属，在打印过程中会有控形和控性的要求。但是金属增材打印机非常复杂，这中间有材料的因素，就如同卢院士提到的，材料的配方、材料的范围以及工差、流动性、球形度，都会影响到打印的质量，乃至于打印机设备，打印机设备缝隙怎么样、密封性怎么样，以及刮板、控制等等，都会影响到打印效果。再到打印工艺的设计，如何设计支撑，如何定我们的打印方向，如何选择合理的打印工艺参数等等。这么多影响因素会影响打印合格的程度，如果这个过程中去试错成本太高，反过来对工艺仿真需求就提了比较高的要求。仿真的价值可以改善一系列的因素，可以减少打印失败、时间、不合格的产品，有利于快速去开发新的材料、新的设备，以及新的工艺参数包。
    但仿真很难，工艺的仿真中间有空间和时间纬度的平衡，有宏观和微观的问题，就如同上午几位院士提的，在凝固过程中是非常不平衡的过程，包括里面的机理，有很多种，涉及的环境多，不确定因素也多。如何使得仿真能够给工艺设计，以及工艺的打印带来真实的价值？
    我们有三块解决方案，我们的解决方案针对不同的人群，我们的设计工程师在初步设计过程中看看这个产品是否可以打，哪些地方初步变形会怎么样，怎么摆，自身怎么样去初步设计，然后改进产品的设计。我们还可以对工艺工程师去做增材工艺参数的优化、选择，考虑不同的扫描策略，考虑支撑的一些生成，还可以跟工艺工程师和材料工程师去预测微观的情况。实际上我们的解决方案涵盖了整个涉及到工艺需要不同的人群，而且这个产品整个解决方案是一体化的，这中间很多因素目前比较有竞争性和独特的。
    （PPT图示）刚才我们说了有一体化的解决方案，从开始的材料，材料其实是中间非常重要的部分，材料的可打印性以及材料打完的特性，以及材料对产品性能的依赖，都使得我们开始去基于材料，基于增材的设计，不管是拓扑优化，包括设计、验证、校合，包括产品性能检测、运营维修等等，这里标红的部分都可以用数字仿真去驱动，去形成这部分解决方案。
    在这样的解决方案中，我们对先进设计和工艺仿真，工艺仿真包含了后处理，这两点我们有对应的经验解决方案。以及在这两块我们公司跟工业界用户有对应的设计方案的案例，我们公司在这部分长期持续一直做这部分的工作，可以看到，通过拓扑优化或者创成式和其他设计，可以使得产品非常简单、非常美观，因为产品的设计其实简单才是美，不仅仅是外观，真正性能承担最多的地方，整个产品的设计一定是非常简洁的。所以基于增材可以把它实现制造出来，对应的一些分析案例也可以证明这一部分。
    乃至工艺仿真，最近我们跟不同的合作伙伴一起做这部分的工作，我们有不同的价值以及不同的定位。如何快速去预测我们的一些变形？我们支撑的影响分析，再到刮板的预测，再到我们怎么去优化支撑，我们减少打印的变形，包括应对开裂，再到优化结构设计等等，使得我们的工艺更可行，乃至我们做标定，可以基于特定的设备、特定的粉末，一起基于仿真来做对比和验证。
    最后我简单介绍一下我们公司的增材业务。我们是一个集团，基于增材业务有三部分，安世亚太是中国在仿真以及精益研发，乃至仿真体系的创立者，在数字化设计部分我们有一定的经验和领先。德迪（音译）是设备和耗材来做制造，安德（音译）是做打印业务。其实增材方向非常美好，但道路很曲折，我们也非常开放，我们需要合作，在这样的产业链的情况下，我们需要跟大家一起合作，使得增材整个逻辑能够变得可行。我们现在已经和高研院，以及和国内、国外合作伙伴一起做这件事情，我们也欢迎国内同行乃至国际同行，我们一起谈一些合作，使得增材的一些解决方案能够做的更扎实，能够尽快落地。我们一定相信将来的增材是非常美好的。
    谢谢各位。