3D打印的終極PK之仿真
“增材制造技術已被更廣泛地普及，在工業應用領域，已經從原型和模具的制造擴展到直接的零件生產領域。
隨著更多的企業加入到增材制造領域， 尤其是金屬打印領域，不少企業發現，即便不做設備研發，單純是靠增材制造設備提供打印服務，這一領域亦存在著不小的門檻。
為什么會這樣？工業級金屬增材制造設備誰玩得了？如何搭建3D打印服務企業的競爭優勢？企業在招聘人才的時候，什么樣的人才是最核心的？本期，科學谷菌為業內全面分析有限元仿真在金屬3D打印中發揮的作用。
無論是打印假肢，還是想現場制造橋梁的一部分，或者打印汽車零部件。存在的重大挑戰是增材制造過程中的可靠性和可預測性，這些障礙也給產品的質量認證帶來制約，并限制了3D打印擴展到更廣闊的工業領域。
所以，對于企業來說買了昂貴的設備只是第一步，還需磨練內功駕馭從材料到建模以及加工工藝，其中“如何通過仿真模擬來獲得可靠的設計？”，“仿真模擬如何增強增材制造設計的穩定性？我們能不能第一次就打印出想要的產品？”是企業需要面臨的一大挑戰。
在3D打印中，仿真在不同的環節都可以發生作用：生成功能性產品的設計，生成晶格結構，校準材料，優化生產工藝，以及優化關鍵部位的性能表現。
增材制造的優勢是獨一無二的，從幫助設計人員打破傳統制造約束的限制，激發設計師的的設計水平到新的高度。這些都以滿足工程要求的性能為目標，而不需要犧牲零件的強度或性能。輕量化就是一個很好的例子，3D科學谷認為可以說感謝有限元優化仿真使得設計師可以更輕松地獲得更“靠譜”的設計作品。
圖片：達索SIMULIA的 Abaqus仿真優化過程
增材制造還提供了創建極其復雜的內部晶格結構的能力，這是完全不可能通過傳統的制造技術來獲得。輕量化使得額外的零件重量減少，通過拓撲優化的晶格，不但在晶格大小方面可以實現豐富的漸變風格以滿足不同區域的材料分配要求，還可以實現不同區域不同形狀的晶格結構，以實現對應的力學要求。某種意義上，3D科學谷看來材料變得“可編程”。
圖片：通過分配晶格大小何形狀來優化零件力學性能
“可編程”的材料，以金屬合金為例，高強度的激光被應用到粉末床上，沿著計算機輔助設計的軟件模型引導的路徑來層層熔化金屬。融化的金屬粉末冷卻凝固又與新一層冷卻凝固的金屬結合在一起，這其中的相變，冷卻率，打印速度等機械加工參數都引導冶金和微觀結構的變化。
這些增材制造出來的零件，比傳統的制造方法如鑄造的力學性能強。然而，這與多尺度、多物理性質的制造工藝有關。通過有限元仿真軟件，可以實現金屬微觀力學行為的物理特征呈現，使得對設計的模型在增材制造過程中將要發生的微觀變化實現更好的控制。
圖片：達索SIMULIA的 Abaqus分層仿真過程
除了材料的特性化，增材制造工藝本身可有潛在的設計與制造不相符的風險。在設計的部分中，不考慮無應力或扭曲的發生，并以標準材料定義的方式分配而不考慮合金的金屬加工屬性。然而，在增材制造過程中，是個熱傳導的過程，殘余應力的產生，發生扭曲，以及材料的變化在過程中都會發生。（詳見3D科學谷12月1日發布的－你所不知道的微世界，激光是如何融化金屬粉的？）
這時候你就需要一個強大的工具來研究工藝參數如影響沉積的路徑，構建方向和熱強度。通過軟件來研究如何優化殘余應力，降低部分扭曲和改變材料的熱加工行為，使得材料滿足零件的靜載荷、動載荷、振動性能。
圖片：達索的Isight熱性能與應力仿真分析
最后，你還需要考慮在零件的疲勞壽命，有限元仿真為增材制造的部件材料的疲勞壽命提供評估，使得從設計階段開啟零件的完整生命周期的有效把控。
很多人把有限元分析與仿真等同起來，其實，有限元分析是一般仿真軟件使用的方法，有限元分析軟件是對結構力學分析迅速發展起來的一種現代計算方法軟件。而金屬增材制造設計過程中對力學性能的仿真與優化直接成為設計的成功與否的關鍵因素。
企業在招聘人才的時候，市場上并沒有多少直接可用的3D人才，企業需要“拼接”跨領域人才的長板以搭建企業自身的競爭優勢。而仿真領域的人才將是長遠競爭最激烈的一部分。
在3D科學谷看來，軟件的應用將是3D打印的終極PK, 高校在設置3D打印專業的時候，亦需要考慮軟件領域的課程內容設置以及課程比重。包括3D的設備廠商，軟件將充分挖掘設備的潛力，設備廠商將轉型為基于軟件的行業方案解決商。
我們國家在仿真軟件領域是短板，仿真用到大量數學算法，我們一直倡導數學是基礎學科，但學生在報考數學專業的時候并不清楚數學的用途，可見全民對數學價值的低谷與迷茫。而國際上，尤其是美國每年都會將中國的數學高端人才許以全額獎學金“挖”到美國的高校繼續學習并從事科研工作，從戰略上重視STEM科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數學（Mathematics）的價值可以說是發達國家的精明和值得學習的地方。加上自身高端人才的儲備，發達國家開發仿真軟件頗具優勢，仿真軟件在國際上從50年代就開始興起，在增材制造的行業潛力背景下，仿真軟件亦迎來了歷史型的發展機會。中國要趕上，面臨的直接問題包括如何構建這樣的人才基礎，來開發和使用仿真軟件。
讓我們共同期待，國家支持增材制造行業不要升級當前的3D打印浮躁風氣，國家不僅關注硬件的硬實力，還關注軟實力。
(責任編輯：admin)
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