3D打印 / 增材制造仿真是一個廣泛的概念，從打印材料熔化，到刀具路徑，再到打印后處理工藝，整套3D打印制造流程幾乎都可以通過仿真軟件進行模擬。借助仿真的力量，3D打印零件的設計能夠得到優化，打印失敗的情況也將減少。但是由于仿真技術能夠涵蓋到整個3D打印過程，市場上各種3D打印仿真軟件的應用側重點也是不同的。

3D科學谷曾在3D打印仿真軟件-Part 1一文中列舉了幾種3D打印仿真軟件。本期，3D科學谷整理了另外幾種3D打印仿真軟件。

Materialise

Materialise 在其Magics 軟件中集成了Simufact的仿真功能，金屬3D打印操作人員無需在數據準備軟件和仿真軟件之間來回切換，即可利用仿真結果來修改部件的擺放角度和支撐。這個仿真模塊易于使用，它不是一個研究工具，而是一個可以在日常運用的生產工具。

通過使用Magics中的仿真功能，用戶可以快速發現并解決加工中的問題，降低加工失敗的風險。這有助于提高金屬增材制造的效率，從而改善運營利潤。

Magics 軟件中的仿真模塊，圖片來源：Materialise

Magics Simulation模塊作為現有軟件中的完全嵌入式集成仿真模塊，用戶無需在不同軟件包之間進行更換就可以使用仿真。

Magics 仿真模塊專注于金屬增材制造仿真，采用基于Simufact仿真技術的機械固有應變方法，包括應變校準[和]模擬作業管理系統。它還具有無縫集成的可視化工具，如（反）變形，收縮線和重涂沖突和根據模擬結果調整支撐的能力。

Materialise 計劃進一步通過仿真來自動推動金屬增材制造工作流程，例如優化支撐結構，零件擺放方向，切片等，幫助3D打印用戶將打印設備的容量使用最大化。3D科學谷了解到，未來，Magics軟件集成的仿真模塊將具有局部熱的捕獲功能，發布與熱相關的構建扭曲。

西門子

開發一個新的金屬3D打印零件往往需要進行多次嘗試，但金屬打印機和打印材料非常昂貴，從經濟角度來看，用戶沒有太大的錯誤或返工空間。當金屬3D打印作為一種工業生產技術時，保證初次打印時就獲得成功則非常重要。

通過仿真技術對整個零件的構建過程進行模擬是實現這個目標的重要手段。對于整個構建過程的模擬包括模擬零件之間的熱交互，支撐結構和殘留粉末。此外，通過仿真模擬考慮對設計的幾何調整以及抵消在構建過程中產生的熱變形所必需的支持也很重要。

左圖為仿真預測的打印失真情況，右圖為原始CAD模型與實際3D打印葉片的3D掃描結果之間的偏差比較分析結果，圖片來源：西門子。

西門子仿真軟件的特點在于，采用務實的方法，模擬基于混合微觀結構數據集，該數據集結合了計算和經驗信息。這種方法能夠校準過程，以持續改進模擬結果。西門子還看到了設計、仿真與增材制造之間自動化相互作用的價值，他們認為這將最大限度的減少首次打印零件的工作量。

增材制造仿真是西門子軟件中一個比較新的模塊，因此西門子仍持續研究增材制造仿真技術。例如，研究仿真精度和方差，與用戶合作測試過程模擬的準確性，如何通過識別局部過熱區域和調整這些區域的打印過程來抵消打印失真。

此外除了粉末床金屬增材制造仿真，西門子還在開發塑料3D打印工藝、金屬DED工藝，以及噴射工藝的增材制造仿真技術。

e-Xstream

e-Xstream 在2013年被仿真軟件公司MSC Software Corporation收購。e-Xstream仿真技術的強項在于復合材料和結構多尺度建模，該公司專注于開發聚合物和復合材料3D打印仿真技術。

根據3D科學的市場研究，e-Xstream 本身是材料建模公司，其 Digimat 材料建模技術是e-Xstream 多尺度建模和非線性微觀力學方面與大學、研究中心、企業進行了15年的協作研發的成果，3D打印復合材料仿真技術也是在這個基礎之上推出的。

Digimat-AM中的翹曲分析，圖片來源：e-Xstream

基于其Digimat材料建模技術和MSC有限元技術，e-Xstream 開發了一種綜合增材制造解決方案，結合材料工程，工藝模擬和結構工程，以解決增材制造行業面臨的主要挑戰。

e-Xstream 擁有270多個等級和14,500個Digimat材料模型，并擁有復合材料模型數據庫Digimat-MX。3D科學谷了解到，e-Xstream 正在為該數據庫不斷補充3D打印現成材料和打印機型號，如Solvay KetaSpire PEEK（用于熔融沉積成形工藝），Stratasys ULTEM9085和1010（用于熔融沉積成形工藝）或Solvay Sinterline 粉末（用于選區激光燒結工藝）。 

在材料方面，e-Xstream正在擴展其材料工程工具（Digimat-MF和Digimat-FE），以便對3D打印材料進行虛擬復合，并模擬打印材料的行為。將過程各向異性考慮在內的先進材料模型，將通過Digimat-MX材料交換數據庫進行構建、存儲和提升。通過以上功能，3D打印用戶能夠減少對打印件物理測試的需求，了解推動材料行為的關鍵參數，并輕松創建新材料系統，例如輕量化的點陣結構。

在工藝方面，Digimat-AM 是一個針對FDM、SLS 增強復合材料3D打印的過程仿真軟件解決方案，其作用是預測翹曲和補償失真等打印問題。工程師能夠通過工藝仿真技術評估參數設置對零件翹曲的影響，從而來更好地理解和優化打印工藝。

在性能方面，e-Xstream正在優化其Digimat-RP結構分析仿真技術。Digimat-RP 仿真技術的作用是，通過預測3D打印零件的性能（剛度、彈性等）來驗證3D打印設計，例如刀具路徑或構建方向。

DassaultSystèmes（達索）

達索在3DEXPERIENCE平臺中集成了3D打印仿真功能，包括：創成式設計、增材制造程序員、增材制造研究員和逆向形狀優化器。用戶可以在平臺中無縫的使用設計、制造和仿真功能。

3DEXPERIENCE平臺中的一種增材制造工作流程，圖片來源：DassaultSystèmes

其中，創成式設計為用戶提供定制的拓撲優化設計，以解決特定的增材制造約束，“一鍵”實現從拓撲優化結果到幾何的平滑過渡。增材制造程序員則允許用戶在虛擬機上進行打印準備，打印零件擺放，優化支撐，生成刀具路徑。增材制造研究員為失真，殘余應力和微觀結構預測提供熱機械和本征應變模擬。逆向形狀優化器可根據預測的失真進行形狀補償。

在達索的軟件環境中，完整的數字線程可以連接設計優化，幾何重建，構建規劃，過程仿真和后處理以及在線仿真?；贏baqus求解器，達索提供可定制的仿真技術，包括多種3D打印工藝的仿真，如：粉末床熔融、直接能量沉積、材料沉積、材料噴射。

COMSOL

COMSOL 擁有多物理場仿真技術，COMSOL Multiphysics 結合了最常見的附加產品，包括結構力學模塊，非線性結構材料模塊和傳熱模塊。COMSOL的部分用戶還選擇使用電磁學和化學分析模塊。

結構力學模塊可以通過一種稱為材料活化的技術處理無應變狀態的材料沉積，該模塊通常與傳熱模塊一起使用，以便在材料沉積的同時進行更高級的熱分析。該模塊主要用于金屬3D打印，但偶爾也用于塑料3D打印。該模塊擁有通用工具，可用于增材制造過程所需的刀具路徑模擬。

葉輪在底板上的位移圖，圖片來源：COMSOL

COMSOL 有部分客戶是增材制造設備廠商，他們使用COMSOL Multiphysics 仿真技術進一步了解專有增材制造工藝背后的物理現象，進一步開發其3D打印工藝，以及研究如何改變物理過程，以提高打印零件性能。

COMSOL Multiphysics 還為用戶提供了便利的仿真模型分享功能。由于許多公司將建模團隊劃分成設計和仿真兩個業務組，各組內的人員可以發揮其自身技術優勢。然而這種做法會讓部件的設計和分析之間缺乏有效溝通。

COMSOL Multiphysics 的用戶英國考文垂制造技術中心的仿真工程師就將仿真模型封裝成簡明易用的仿真 App，以此來消除兩個團隊之間的交流障礙。設計工程師無需接觸復雜的底層仿真模型，也能在操作界面中運行測試。這大幅簡化了對新零件性能的評估過程，設計工程師現在無需求助仿真專業人員，也能方便地對參數進行調整。該仿真 App是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 開發器”創建的，可以針對指定零件顯示其最終形狀、變形和應力水平的仿真結果。

3D科學谷Review

仿真最終的目標是為了使人們不需要交“學費”，將設備當成試驗品，仿真的目的是不浪費時間和金錢，避免錯誤發生。因此，仿真結果的穩健性尤為關鍵，這也是仿真技術提供方所追求的目標，這種穩健性對于航空航天、醫療等合規性為王的領域來說尤為重要。

有的仿真業內人士認為缺乏對軟件的理解會導致模擬和現實結果之間的差異，而有的業內人士認為缺乏材料數據或缺乏對物理學的理解，決定了仿真模擬與現實結果之間的差異。無論如何，對仿真精度的追求是個無止境的，得到一致、可重復的仿真結果是仿真軟件企業的關注點。

此外，仿真軟件的可用性也是仿真軟件企業的關注點，根據3D科學谷的市場觀察，部分公司致力于將仿真技術集成到現有的工作流程和PLM 系統中，使得用戶可以在多種設計軟件中進行快速切換，這提升了仿真軟件的可用性。

來源：3D打印谷