如何解决增材制造中的批量化挑战，提高生产效率？

作者：Safouan Itahriouan（Oqton 工业级增材制造团队应用专家）
来源：Oqton

导读：如何消除制造生产流程中的瓶颈，优化设计、数据准备和成型仿真，实现高效、顺畅的工业零部件生产。立即了解如何解决增材制造中的批量化挑战，提高生产效率。

△Safouan Itahriouan

Oqton 工业级增材制造团队应用专家

当市场上首次出现3D打印机时，很多人对增材制造的工艺复杂度有着不切实际的想象。实际上，生产制造一个零件通常需要多个专业软件工具，用于设计、优化、数据准备、成型仿真等多个环节。在这些工具之间切换可能导致瓶颈，使得按时交付零件变得难以准确预计（从而难以管理）。我们可以预见，这些工厂里单独的作业流程，其效率有非常大的提升空间。

在本博客中，我将引导您了解3D打印工业零部件的步骤，突出共同的瓶颈，并探讨如何通过一体化软件解决它们。

批量化工业增材制造中的挑战
用于3D打印的硬件、软件方案种类繁多，并且市场上不断涌现出新的技术和产品。但就工作流程而言，大致是相似的步骤：设计一个3D模型，进行数据准备（3D打印工艺编程），然后将文件发送到打印机进行打印制造。

这个过程的每个阶段都需要特定的工具，但使用的工具数量取决于项目的复杂性。最快速简单的流程是：用户需要用于设计模型的CAD软件，以及用于数据准备和制造的3D打印软件。更为复杂的流程则包括用于优化零部件的增材制造设计（DfAM）软件，用于使用晶格、点阵、轻量化等设计方法针对3D打印工艺进行零部件设计优化。

多年来，出现了许多专门针对流程中特定步骤的专业软件。这些解决方案在某些特定场景表现优秀，例如成型仿真金属中由热引起的变形。

但专业化也有缺点。制造企业需要在其工作流程中使用许多解决方案，这会增加低效性。工程师们在不同的软件之间传递模型，浪费时间进行数据转换、修复模型，并希望原始设计数据没有损失 。

导入3D模型
每个3D打印零件都始于一个3D模型。设计师使用CAD软件（如SolidWorks、Catia或Siemens NX）创建模型，并将其导出为实体，可以是其本机格式或如STEP之类的通用格式。

然后，工程师将这些模型导入3D打印软件，然后我们的批量化增材制造生产运营的挑战就出现了。

今天市场上的许多软件解决方案仅适用于网格面片数据，这意味着在开始数据准备之前，任何实体模型都必须转换为STL。从CAD数据开始的转换可能需要数小时，而生成的STL模型也仍然可能产生不可控的数据大小、读取、编辑等问题。

一位客户的热交换器STL文件，大小为34 GB，而原始CAD文件只有158 MB。加载一个34 GB的文件可能需要数小时，而加载158 MB的文件只需几秒钟。

更甚的是，这样大小的数据文件很难进行后续处理。即使我们的计算机配置可以处理34 GB大小的模型数据，我们仍面临由于格式转换、带来的模型设计数据偏差。毕竟STL只是CAD模型的近似组合。像火箭引擎中的微小通道这样的工程设计细节，有很大的可能无法正确转换成STL数据。

如果可以直接在3D软件中加载并继续使用实体模型或任何其他几何形状，就可以避免上述这些问题。3DXpert是以CAD为核心构建的，因此3DXpert的用户无需担心数据完整性丢失、漫长的转换或文件修复问题。只需导入数据文件，就可以开始工作。

DfAM 增材制造设计
有了加载的3D模型，制造企业可以开始使用DfAM工具以提高零件性能。DfAM（增材制造设计）赋予我们无法通过传统制造方法实现的一系列可能性。例如晶格设计，可用于减轻汽车零件或航空零件的质量，或增加热交换器的性能；我们也可以使用拓扑优化对支架进行轻量化优化。

（Emerson为控制阀打印关键的服务部件，最初采用了一个需要不必要的格式转换的多软件工作流程。通过3DXpert，他们“消除了大量的软件操作”并实现了“保持数据完整性和从工作流程中消除冗余”的目标，据Emerson的增材制造研发经理Tom Gabriel表示。）

并非所有的3D打印软件都具备这些功能，因此产品开发团队或许被迫将另一款软件引入工作流程以生成晶格。更多的软件使得实现工作流程中追溯性变得更加困难，并增加了数据完整性受损的风险。由于文件存储在各种软件解决方案中，将文件的正确版本迅速提供给整个团队变得更加困难。

但DfAM应该是增材制造的一部分。也许我们不会在每个项目中使用它，但有这个选项是至关重要的。3DXpert带有一系列晶格、表面翅片、填充的参数化功能，以及隐式建模和随形管道设计功能。3DXpert 的用户可以快速优化零件并保持文件的可追溯性。

数据准备 - 3D打印遇到自动化
数据准备涉及一系列步骤，特别是在打印大量相似零件、或进行高价值零件的多次设计迭代时，这些步骤可能非常重复。

无论何时有重复、规范性操作需要，都存在自动化的可能性 —— 而3DXpert配备了许多用于此目的的工具。

首先是支撑结构，这是3D打印的“阴暗面”。支撑结构对于打印悬空部分或桥梁，将零件固定到基板和及时散热等因素，都是必不可少的。然而，支撑结构会因为额外的材料使用和后期处理工作而增加生产成本。

通过支撑方案的优化和自动化，制造企业可以显著节省时间和材料。3DXpert允许您找到一个平衡点，既能够确保成功打印，又不浪费材料。

通过支撑模板、元模板和脚本等功能，3DXpert的用户可以将相同的策略应用于相似的零部件的数据处理中。即使客户在初始打印后的一个月内提出工程设计和工艺变更，仍然可以通过用新零件版本替换旧版本来应用所有相同的数据准备预设。

先进的成型仿真
一旦生成了正确的支撑设计，用户将希望提前验证零件在打印过程中的状态和行为，以在生产缺陷发生之前识别问题。成型仿真对于减少3D打印成本至关重要，特别是在诸如直接金属激光烧结（DMLS）等成本昂贵的工艺中。

然而，值得注意的是，并非所有的3D打印软件解决方案都包含成型仿真功能。许多制造企业最终在其工作流程中添加了一个单独的软件，同时也引入了潜在的数据格式转换风险，及额外的对员工培训的需求。

值得注意的是，3DXpert拥有集成到数据准备中的先进成型仿真引擎，允许您减少与处理多个独立软件工具相关的错误或低效性。

3D打印批量生产
在工作流程的最后阶段，是时候进行切片、路径填充、打标和排版了。这些是标准3D打印软件可以执行的操作，但批量化生产中所需的灵活性和效率是使之与众不同的关键。

以切片为例。这是3DXpert节省时间的最大机会之一。从像按需定制制造服务商到Agile Space Industries这样的航天推进器制造专家，许多用户都看到了使用3DXpert大大减少的切片时间。

Agile Space的增材制造总监Kyle Metsger表示，“使用3DXpert切片，我们在从数据准备到机器的整个过程中看到了60%到70%的时间缩短”。

3DXpert充分利用了多核和GPU加速。用户可以将切片和成型仿真过程卸载到具有多个核心的专用硬件上，从而使工程师可以专注于本地工作站上的其他活动。另外，用户也可以简化串行生产，因为3DXpert允许仅重新切片新零件的打标，而其他一切保持不变。

切片器和孵化器的另一个优势是它们的灵活性。无论需要为打印机提供即插即用的参数集还是最终的定制，3DXpert都可以满足制造企业的需求。

由于它是面向设备的特性，制造企业可以在各种打印机上使用3DXpert。3DXpert为多个机器供应商提供直接切片功能，并通过软件开发工具包（SDK）提供OEM切片器连接性。这使制造企业能够以特定3D打印机能够理解和使用的格式导出文件。

一旦零件被切片，可以运行热成型仿真以检查并补偿任何变形或过热层。根据成型仿真结果，创建特定层次的等待时间，以提高效率同时实现热稳定性。

用3DXpert助您迈入制造的未来
不断涌现出新的应用案例似乎预示着增材制造正在更多地影响制造生产模式。但如果没有正确的工具，增材制造也是一个可能成本高昂且耗时的过程。

如果您刚开始3D打印之旅或希望提高现有设置的效率，3DXpert通过其工作流程每个阶段的最佳功能，将您置于成功的道路上。您可以通过在一个软件环境中完成所有流程来简化生产，最大化效率，并避免昂贵的错误。