* 本文原刊登于智能制造媒體咨詢研究機構e-works：《仿真技術賦能金屬增材制造》

通俗來講，增材制造技術是采用材料堆積疊加的方法制造三維實體的技術，相對于傳統的材料去除－切削加工技術，是一種“自下而上”的新型材料成型方法。作為一種數字化三維實體快速自由成形的制造新技術，增材制造技術不僅提供了新的制造加工工藝方法，更實現了結構設計、高性能材料制備、復雜構件制造的一體化，并為宏觀上的結構設計和微觀上的材料制備帶來革命性的變化。

隨著增材制造技術不斷突破，尤其是金屬增材制造技術的應用和增材制造服務的興起，有效支撐企業制造復雜的金屬零件，徹底變革著制造模式。這其中，將仿真應用到增材制造中，不僅能確保最終產品滿足性能標準，還可仿真整個增材制造過程，最大限度降低增材制造的失敗風險。

Ansys增材制造總監Brent Stucker博士在接受e-works采訪時指出，金屬增材制造正在成為一種廣泛應用的制造工藝，同時改變著企業向市場投放產品的方式。而仿真技術與金屬增材制造技術的結合，有助于應對金屬增材制造的挑戰與風險，從而打印出功能更強大、更輕量化的產品和部件。

金屬增材制造火箭發動機

從原理上來看，增材制造技術可以把形狀復雜的三維實體分解為一系列二維制造的疊加，不需要模具，直接進行樣品原型或直接零部件的制造，縮短設計到成型的周期，提高生產效率及制造柔性，也正是由于該特點，使得增材制造技術受到全球范圍的關注，特別是金屬增材制造，可以給傳統制造業帶來巨大價值。

過去25年中，Brent Stucker博士一直在關注并研究增材制造技術的發展，撰寫和合著了200多篇增材制造有關的技術出版物。

據Brent Stucker博士觀察，金屬增材制造技術在過去十年取得了驚人的進步，創造了巨大的價值。Brent Stucker博士說，“如今金屬增材制造領域已有數十億美元的研發投入，隨著這些研發工作的成熟，我認為金屬增材制造在不久的將來將迎來巨大的增長機會”。

事實上，金屬增材制造正越來越多被應用于航空、汽車、醫療、科研等領域，激發出巨大的市場潛力。可以說，金屬增材制造是現代制造領域的最大趨勢之一，越來越多的企業開始探索和發力，包括3D Systems、Desktop Metalis、EOS、雷尼紹、Stratasys等主流3D打印廠商均在積極布局。

概括而言，金屬增材制造對傳統制造企業的價值主要體現在產品研發和制造方面。在產品的設計階段，研發人員可以借助增材制造技術制作出相應的產品模型，在縮短產品研發周期的同時，大幅降低了產品研發成本；在產品的制造過程中，增材制造還可將傳統制造流程中不必要的環節進行剔除，材料的利用率也得到了進一步提高；由于增材制造具有一次性成型的優勢，打印出來的產品無需再次組裝，從而縮短了產品供應鏈，節省了勞動力。

但同時，Brent Stucker博士認為金屬增材制造在發展進程中存在幾大關鍵挑戰，諸如：為打印件構建最佳方向、創建最佳支撐、避免打印件失敗、創建精確的打印件、最小化孔隙度、實現打印件的預期性能、優化機器工藝參數以獲得最大的生產率，并確保機器在制造零件時按預期操作等等。

其他制約金屬增材制造發展的因素還包括材料種類和價格、高尺寸精度、增材制造設備等。首先，打印材料還有待拓展。因為金屬打印材料要求比較高，既要利于原型加工，又需具有較好的后續加工性能，還需滿足強度、剛度等不同要求；

其次，打印件的尺寸精度和質量要求較高。打印件的大尺寸和高精度是增材制造技術的重要方向。只有打印件的尺寸精度和表面質量達到傳統機加工水平，才能大規模普及發展；

第三，制造精度與制造速度的平衡。由于增材制造是分層疊加制造而成，當分層厚度小時，打印件精度較高，但成形時間較長，如果縮短成形時間，則容易加大打印件的階梯誤差；

另外，制造成本和耗材成本仍較高。由于增材制造工藝專用材料有限，且需經過特定的制備過程，因此材料價格均較為昂貴，提高了制造的整體成本。

工業4.0時代，隨著增材制造的應用普及和快速發展，仿真技術所起的作用越來越不可或缺。

特別是因為金屬增材制造的試錯成本巨大，因此金屬增材仿真工具對企業控制成本具有舉足輕重的影響——利用仿真技術提前獲取增材制造產品的性能，是解決金屬增材工藝質量的重要手段和方法；通過提前預測并在此基礎上進行工藝優化，可降低增材制造的失敗概率，同時不合格產品的數量和試錯次數也大為降低。

在Brent Stucker博士看來，仿真的魅力在于它能夠分析整個增材制造從最早期的設計到成品全過程。企業不但可以依賴傳統仿真工具，以確保最終產品滿足性能標準，而且它們現在還可以借助新的工藝仿真解決方案模擬生產過程。

在金屬增材制造工作流程中，Brent Stucker博士認為仿真技術的優勢最主要體現在新材料、新設計和新生產流程三個方面。

對于新的材料，仿真技術可以幫助用戶開發工藝參數，以便更快地將新材料應用到增材制造機器中，減少錯誤；對于新的設計，仿真技術可以使用拓撲優化來創建新的形狀，還可以通過對設計師使用增材制造的可制造性以及設計在最終產品/系統中的有效性反饋來指導設計者；在新的生產流程中，仿真技術可以指導設計人員將以前的設計經驗（例如載荷、傳熱、流動等）復用到高度復雜的產品中，以減少增材制造過程中的制造和裝配步驟，這其中，多物理場仿真尤為關鍵。

可以說，正是有了仿真技術的助力，與傳統制造技術相比，金屬增材制造技術具有許多不可取代的優勢，包括能夠制造出用傳統方法制造不出來的部件和結構，例如內部結構復雜或有機形狀復雜的部件；單個增材制造件可以替代多部件裝配體；可以設計和生產出性能更好的部件，并且材料利用更有效；此外，可以按需制造金屬替換部，無需整個工廠和多臺機器；生產具有獨特屬性的新型材料；替換已經停產的磨損或損壞部件等。

Brent Stucker博士告訴e-works記者，金屬增材制造對傳統制造企業的意義重大，從早期設計評估的模型到大規模生產的模具，再到直接零件制造，再到用于裝配操作的夾具等等，它都顯示出了巨大價值。某種意義上來說，金屬增材制造技術具有改變企業競爭格局的潛力。

正是基于這樣的出發點，Ansys于2017年收購了金屬增材制造仿真技術領導者3DSIM。那么，在收購3DSIM后，Ansys如何實現3DSIM的增材制造仿真解決方案與Ansys已有技術的結合呢？

Brent Stucker博士介紹，3DSIM團隊在收購后隨即并入Ansys Mechanical業務部門，并且開發了統一的增材制造工藝仿真套件Ansys Additive Suit，其中包括Ansys原有求解器（如MAPDL）和新的3DSIM求解器功能。這一組合提供了業界最廣泛的增材制造仿真工具，使得用戶可以考慮整個增材工藝鏈的各個環節，包括拓撲優化、部件驗證、打印設置、工藝過程仿真、支撐生成、打印失敗預防、微觀結構預測等，幫助完成高質高效的增材制造工藝設計而無需昂貴而耗時的試錯過程。

Ansys面向金屬增材制造推出的仿真解決方案

此外，Ansys推出了內置于SpaceClaim的Additive Prep工具，用戶可以被引導完成定向優化、支持生成和構建文件準備的過程。

借助Ansys Additive Print和Workbench Additive工具，用戶可以預測增材制造過程中的零件變形并進行自動變形補償，同時還可以預測應力和預測熱應變，自動生成支撐件等。需要說明的是，Workbench Additive是集成在Ansys Workbench環境下的增材仿真工具，面向產品設計工程師和分析人員，與拓撲優化形成無縫流程，幫助他們保證可進行增材制造的更好設計。

在Ansys Additive Science中，Ansys可以幫助科學家和工程師確定金屬增材制造機器和材料的最佳參數，為現有和新材料創建最佳工藝參數、控制微觀結構和材料屬性、使用新型金屬粉末更快更高效地進行制造等等，用戶可通過預測零件的微觀結構參數，快速開發出零件的機械性能組合。通過預測機器中的熱傳感器測量的過程是否正確，幫助用戶確定機器是否按預期運行。

Brent Stucker博士強調， “過去的幾年里，Ansys在拓撲優化方面投入了大量資金，提供了傳統的SIMP方法和以往通過Level-set才能實現的新功能。我們還集成了拓撲優化工具和增材制造工具，讓用戶能夠在他們的模型上設置增材制造特定的約束。”

另一個值得一提的創新是，Ansys將這些工具集成到由GPU驅動的實時仿真環境Discovery Live環境中，當設計師改變設計時，他們可以實時了解流體流動、載荷、熱傳遞等的變化。

面向材料領域，Brent Stucker博士介紹，Ansys做了許多額外的研發工作，以向材料科學家和工程師提供有關增材制造的預測能力。Brent Stucker說， “在每一個軟件版本更新中，我們都希望增加與材料科學相關的價值。”

對于金屬增材制造的發展趨勢，Brent Stucker博士很篤定：“未來5到10年，增材制造將會成為企業開展競爭的必備利器，而未采用這種實踐方法的公司可能會望塵莫及。正因為如此，Ansys不斷完善面向金屬增材制造的工程仿真技術，幫助我們的客戶和整個產業實現共贏”。

Brent Stucker博士指出，隨著金屬增材制造得到更廣泛的普及，其能夠實現的價值潛力無限——既能夠促進企業內部的協作、減少設計周期的時間與成本，同時讓工程師能夠大膽去創造和實現極具創新的產品。

2015年成立的初創企業Relativity Space有一個獨特的愿景：把利用增材制造技術制造的火箭發射到太空。Relativity Space設計的Aeon火箭發動機僅包含100個部件，三次打印操作即可完成制造。為完成這一高難度的挑戰，Relativity Space借助Ansys Mechanical、Ansys Fluent等對發動機內部的結構應力、噴射單元、冷卻孔等進行仿真，除此之外，Relativity Space還全面應用了Ansys Additive Suite，仿真優化從材料成分到機器設置的整個增材制造過程。

Relativity Space金屬增材制造的Aeon火箭發動機

對于開始嘗試和探索增材制造技術的企業來說，應如何制定其增材制造戰略呢？Brent Stucker博士建議稱， “對于一家制造企業來說，想弄清楚如何利用增材制造技術是一件復雜的事情。為了探索增材制造，我建議他們組建一個高水平的團隊，以洞察機會為目標，并領導增材制造技術的部署。這個團隊通常需要幾年時間，直到增材制造在需要它的各個部門中根深蒂固。我經常建議企業積極參加專業會議、增材制造用戶社群以及各種展會，研究應用程序、技術和軟件工具的發展。當然，引入一個外部咨詢小組來也會很有幫助。”