增材制造設計軟件的案例
"探索3D打印新境界：Altair Inspire輕量化設計軟件引領增材制造技術革命！"
隨著3D打印技術的不斷發展，增材制造已成為現代制造業中最具前景和潛力的領域之一。然而，由于其特殊的制造方式和材料選擇，增材制造的設計過程相對于傳統制造更加復雜，需要考慮更多的因素。為了解決這個問題，Altair公司推出了一款專門針對增材制造的設計軟件——Altair Inspire。
Altair Inspire是一款基于拓撲優化和仿真分析的輕量化設計軟件。它通過自動化分析和優化功能，幫助用戶快速生成高效且輕量的結構設計。與其他三維軟件相比，Altair Inspire有很好的兼容性，它可以與SolidWorks、CATIA、Creo、NX等常見的CAD軟件無縫集成，使得用戶可以更加自由地進行設計，方便用戶進行協同設計和數據交流。
在增材制造中，Altair Inspire的應用非常廣泛。它可以幫助用戶優化3D打印結構的支撐、減少零件重量、提高零件強度等等。同時，Altair Inspire還支持多種材料的設計，能夠滿足不同材料的制造需求。
Altair Inspire可以根據用戶的要求自動生成最優化的結構設計，減少了憑經驗設計的時間和風險。其次，Altair Inspire還可以對結構設計進行強度和剛度分析，確保設計符合工程要求。最后，Altair Inspire還可以根據材料特性和制造工藝要求，優化材料分布，進一步提高產品的質量和性能。
除了以上優點外，Altair Inspire還具有簡單易學易用的特點，與其他三維軟件相比，Altair Inspire的操作界面更加簡潔明了，用戶只需掌握一些基本知識就可以開始工作，適合各種不同經驗水平的用戶使用。Altair Inspire提供了各種豐富的學習資料和軟件使用教學視頻，包括在線課程、實踐案例、論壇交流等等，方便用戶隨時隨地學習和提問。
展開 重磅：Altair推出全新增材制造設計及仿真軟件 Inspire Print3D
Altair Inspire Print3D 能使設計師、工程師和制造專家創建、評估以及優化出用于增材制造的高效設計。
2019 年 11 月 19 日，Altair（納斯達克股票代碼：ALTR）宣布推出用于增材制造的全新制造仿真解決方案 Inspire Print3D。
Inspire Print3D 提供了快速準確的工具集，可設計和仿真選擇性激光熔融 (SLM) 部件的制造過程。其易用的高級熱固耦合解決方案，使設計工程師能夠開發用于增材制造的部件。
首先設計師們生成滿足性能要求的優化設計，然后在單一沉浸式環境中進行評估，并輕松修改關鍵過程變量，最后在 Inspire Print3D 中，通過仿真部件的制造、冷卻、切除（支撐）和回彈來減少成本高昂的試錯。這一過程可提供支撐結構用量最少的設計，并可在任何 3D 打印機進行優化調整。
Inspire Print3D 提供從創成式設計到可制造性評估的快速、易用、精準且經濟實用的單一軟件環境
Inspire Print3D 直觀的過程驅動型用戶體驗使用戶能夠快速深入了解制造信息
“Inspire Print3D 是我們的最新制造工具，我們非常高興能將它帶給設計工程和增材制造用戶。現在，企業可借助 Inspire Print3D 盡可能減少部件支撐結構數量，減少材料用量、打印時間和后處理工作，從而降低開發和制造成本。”
展開 GF阿奇夏米爾與3D Systems 宣布合作，共同集成增材制造與傳統制造技術
增材制造 / 3D打印技術在實現產品設計創新以及商業模式創新方面起到積極作用。但是要生產出一個合格的產品，單純依靠3D打印設備是不現實的，激發這一技術在制造中發揮潛能的一種重要方式是將其與機械加工、EDM等制造技術進行無縫集成，通過集成化的制造解決方案獲得合格的產品。
8月7日，增材制造企業 3D Systems 與GF阿奇夏米爾集團的GF加工方案宣布進行合作，雙方的合作點正是打造集成化的制造解決方案。
幫助制造業用增材制造打造競爭優勢
GF加工方案是世界領先的精密加工和精密零件制造解決方案供應商之一。3D Systems公司的增材制造專業知識將與GF加工方案在精密加工領域的技術相結合，為制造業用戶提供生產金屬零件的增材制造、減材制造相結合的集成化制造解決方案。合作雙方將通過這種方式，幫助制造商重新定義制造環境。
計劃中的集成解決方案提出了一種工廠自動化的新概念，包括增材制造零件設計軟件，3D打印機，材料和自動化材料處理，放電加工（EDM）設備，銑削設備以及其他先進后處理技術。
圖片來源：GF阿奇夏米爾
制造業用戶可以通過這一集成解決方案進行產品再設計，產品創新，或者是利用增材制造技術開拓新的業務模式與新市場。3D Systems與GF加工解決方案將通過縮短生產時間，降低總體運營成本，幫助客戶打造顯著的競爭優勢。
為制造業用戶提供端到端解決方案是3D Systems與GF阿奇夏米爾共同的關注點，也是雙方能夠建立合作關系的基礎。此外，兩家公司的業務遍布全球多個國家，他們在當地擁有生產設施、研發中心、銷售網絡，這也是兩家公司開展合作的基礎條件。
以上來自于：PRNewswire
3D科學谷Review
GF 阿奇夏米爾集團包括三個部門：GF管路系統、GF汽車產品（含鑄造）和GF 加工方案。
展開 創成式設計與增材制造，顛覆傳統設計制造模式
通過優化過程可確定理想的材料布局，而通過增材制造技術則可構造出更接近這一理想設計的形狀。
圖：天線支架的最終設計 天線支架的設計流程
創成式設計和增材制造的巧妙結合使輕量化設計上升到一個全新的高度，這種制造流程能夠實現結構高效的部件。最終設計非常接近于優化結果給出的理想設計方案。剛度更高、質量更輕的部件極大程度地幫助減少了發射航天器和衛星的成本。
總之，隨著增材制造技術的日益成熟，個性化、輕量化設計將越來越受到設計師的青睞，創成式設計與增材制造的融合技術正在幫助各行業的設計師實現更多的突破。
展開 
基于正向設計和增材制造的高端研發與先進制造整體解決方案
1、技術架構
基于正向設計和增材制造的高端研發與先進制造整體解決方案的技術架構參照了錢學森在系統觀點指導下1980年代初提出的“三個層次一座橋梁”的現代科學學科體系一般框架，包括基礎學科層——系統工程、數學、物理學、材料學等，信息化使能環境——面向數字主線和數字孿生的數據協同、基于大數據和物聯網的云制造，技術學科層——TRIZ及技術創新和管理、拓撲優化、工程仿真、知識工程，工程技術層——基于系統工程面向增材制造的產品材料工藝一體化設計方法學、及其流程體系組合配置而成的正向設計咨詢體系、先進制造工藝融合優選咨詢體系、先進材料制備研備服務體系，工程實踐層——面向工業品的解決方案體系（如飛機、航空發動機、汽車、模具等）、面向產業鏈的解決方案體系（如創業者、消費者、高等教育和職業培訓等公共事業、文創、建筑等）、面向工業化和信息化的產品體系（工藝和材料設備、軟件工具和平臺等）,核心內容為：
圖1 基于正向設計和增材制造的高端研發與先進制造整體解決方案技術架構
2、流程體系
面向增材制造的設計的總體流程如圖2所示。這一流程涵蓋了產品的需求分析、架構設計、詳細設計等過程。在實際應用時，需要將這一指導性流程與雙V模型的系統工程過程框架進行結合。圖3給出了基于德國標準機械產品系統化設計VDI 2221的面向增材制造的設計流程，可以認為這是圖2按VDI 2221在研發階段上的具體化。
支撐上述面向增材制造設計頂層流程的是若干專業化子流程，如基于MBSE的系統建模、拓撲優化及仿真和創成設計一體化流程（圖4），面向增材制造的創成設計流程（圖5）等。
展開 solidThinking Inspire對接增材制造技術， 設計制造全新方程式賽車轉向柱底座
行業：汽車/方程式賽車
挑戰：設計和制造一個全新的方程式 賽車轉向柱底座
Altair 解決方案：使用 solidThinking Inspire 進行設計，使用電子束熔融技術 制造新部件，以節省設計時間， 減少材料成本，提升產品性能。
優點：基于增材制造方式重新設計了 轉向柱底座 ； 將必要部件數量從四個減少為 一個 ； 節省了 35%的重量（從 500g 減少至 330g） ； 新部件提升了 5 倍剛度 ； 減少了 50%的設計時間 ； 使用新的制造流程，浪費的材 料節省了 90%
背景介紹
MICHAEL Sü? 是德國德累斯頓工業大學（Technische Universit?t Dresden）的研究員，目前他的博士學位研究專注于增材制造/電子束熔融技術。 除此之外，Michael 還與德國 Fraunhofer 增材制造技術和先進材料研究所 （IFAM）合作密切。Fraunhofer IFAM 是歐洲領先的粘合技術、材料科學和制 造技術領域研究機構之一。
Michael試圖尋找一個案例，應用于他的研究報告。此時他回想起了曾經參 與學生方程式賽車隊時的經歷。Michael說，“我曾在一個方程式賽車隊中工作， 并希望能夠幫助到德累斯頓大學的在校車隊。我請ELBFLORACE電動方程式 賽車隊推薦一個從事該項目的志愿者，以便深入合作。由此，Michael遇到了德 累斯頓工業大學在校學生Lucas Hofman。
挑戰
Michael 和 Lucas 一起，開始在汽車上尋找一個最有重新設計必要的部件， 并以增材制造/電子束熔融方式生產。最終，他們選定的部件是方程式賽車的轉 向柱底座。Lucas 指出，“當前的轉向柱底座有四個不同的區域，彼此之間有著不同的角度。
展開 設計仿真 | 軸承座創成式設計到增材制造工藝仿真應用
Simufact
增材制造（“3D打印”）技術集先進制造、智能制造、綠色制造、新材料、等技術于一體的新技術。增材制造技術從原理上突破了復雜異型構件的技術瓶頸，實現材料微觀與宏觀的可控成形，從根本上改變了傳統“制造引導設計、可制造性優先于設計、傳統經驗設計”的設計理念，真正意義上實現了創成式式設計、拓撲優化設計的轉變，為航空、航天、機械、汽車、電子等以及新產業的發展開辟了巨大空間。那么針對創成式增材結構設計到增材工藝一體化評估，海克斯康提供了完整的解決方案。
01
創成式設計解決方案
海克斯康的創成式設計軟件MSC Apex Generative Design具有增材制造工藝做結構設計與優化功能，一改傳統拓撲優化軟件操作復雜、需多個平臺（多個人員）數據傳遞、結構強度不足等弊端，堅持做具有高度自動化、操作簡單、以應力為導向的創成式設計平臺，創建光順、輕質、一體的“有機”結構設計，真正做到為增材制造提供質量好、重量輕、結構美觀的產品設計。
海克斯康的金屬增材制造工藝仿真解決方案Simufact Additive更是在國內外增材制造加工領域享有很高的知名度，作為為全球客戶服務的增材制造的仿真解決方案，Simufact Additive可對粉床熔融、粘結劑噴射、機加等增材制造工藝進行仿真分析。Simufact Additive軟件主要工作內容是在3D金屬打印前，通過對打印過程、掃描策略、工藝參數、基板螺釘卸載、線割、熱處理、HIP、支撐移除等過程仿真，預測打印變形、打印開裂、收縮線、卡刮刀等制造缺陷，軟件具有支撐優化、變形補償自動迭代優化功能，幫助用戶優化打印變形，做打印可行性分析、成本評估等，通過多種仿真分析方法，幫助客戶快速對比不同的打印方案，實現一次打印成功，降低試錯次數，從而節省成本。
展開 考慮增材制造工藝的結構設計簡介
增材制造的一大優勢是可以制造復雜結構的產品，使很多我們之前所熟悉的產品變得跟原來的設計相比，零件更少，材料更少，具備相同甚至更好的力學性能，可以說增材制造給設計師們賦予了更多的設計自由度。
但，由于增材制造與傳統機加方式的原理不同，為“堆積”材料的工藝。因此，在進行結構設計時需要考慮支撐結構，熱歷史，打印時長，成本，成型質量等各種因素。由此，增材制造設計方法（Design for Additive Manufacturing (DfAM)）應運而生。它是考慮增材制造工藝而開展結構設計的科學方法。
一、支撐
- The more support material you have the more cost due to printing time
支撐材料越多，打印時間成本越高
- The more support material you have the more material cost you will have
支撐材料越多，打印材料成本越高
- The more support material you have the more time for the finish is needed
支撐材料越多，打印完成時間越長
由此可知，支撐是影響增材制造的重要因素，合理設置支撐結構十分必要！
那么為什么要有支撐？支撐有什么用？怎樣設計支撐？
圖1 不同懸垂角添加支撐對比圖
作用一：支撐懸臂結構，保證打印順利進行
如圖1所示當零件具有超過一定的懸垂角度的結構時，則需要支撐結構來支撐成型，保證良好的質量，否則不能成功打印。
展開 設計仿真 | 革命性的增材制造用于冷板設計：一種新的CFD工作流程
通過增材制造對冷板和換熱器設計進行熱流體分析的新工作流程
Part.01
增材制造的創新及其實際應用
增材制造（AM）是一種通過分層材料創建三維零件的過程，通常由數字3D模型數據指導。與傳統制造技術相比，AM具有以下優勢：
? 設計自由
? 高效的材料使用等
隨著金屬AM的進步，顯著的成本降低和精度的提高促進了實際應用。
此外，新材料和新工藝的發展刺激了制造業的創新轉型。值得注意的是，與熱管理和冷卻相關的應用正在引起人們的關注。冷卻裝置和熱交換器的新設計利用了AM提供的設計靈活性。例如，與傳統設計相比，汽車電力電子設備的冷板現在提供了三倍的表面積。相機等消費品的散熱性能提高了24%，展示了AM對熱管理和冷卻技術的革命性影響
Part.02
使用增材制造設計冷卻裝置的技術挑戰
使用AM設計用于熱管理和冷卻應用的冷板和熱交換器存在幾個技術挑戰，包括：
1)優化流量；
2)優化傳熱性能；
3)除了流體和熱性能外，還必須評估可制造性。
Part.03
CAE分析對增材制造的挑戰
在大多數計算機輔助工程（CAE）工作流程中，在CAD中創建三維形狀，然后將其導入CAE工具以生成體網格。然而，AM特定的建模工具使用隱式表示，而不是零件形狀的邊界表示（B-rep）。隱式表示使用一個字段來表示對象，該字段確定空間中的點是在對象內部還是外部。這允許非常復雜和靈活的設計，使其成為AM的理想建模方法。
然而，在CAE中使用隱式表示帶來了挑戰。許多CAE工具需要曲面網格來生成體網格。因此，在CAD中創建表面網格，例如STL文件，并將其導入CAE工具，或者CAE工具本身具有從CAD數據生成表面網格的能力。
在隱式表示的情況下，還需要創建曲面網格。
展開 面向金屬增材制造的拓撲優化設計研究進展
本文綜述了面向金屬增材制造技術的結構拓撲優化設計研究進展，從優化拓撲算法的角度，歸納了基于單元網格與邊界演化的拓撲優化方法改善結構連續性與可制造性的有效措施；從金屬增材制造約束的角度，總結了考慮幾何約束、成形約束、材料性能約束的拓撲優化方法，并結合金屬增材制造與拓撲優化技術的發展趨勢進行了展望。
關鍵詞
拓撲優化；金屬增材制造
；
拓撲算法
；
增材制造約束
1.引言
隨著我國航空航天事業的持續發展，航空結構件需滿足輕質高效、長航時、高機動性等要求，因此，進一步降低結構質量系數，是結構優化設計領域面臨的一項嚴峻挑戰。傳統輕量化設計大多是基于經典結構的等效替換，通過新工藝、新材料等精益改善和挖掘結構潛能，現已趨近“天花板”。
拓撲優化技術作為結構優化設計的重要分支，通過定義材料屬性、載荷工況與約束條件，尋求給定設計域內材料的最優分布形式，是結構輕量化設計、獲得高性能創新構型的有效設計方法，現已廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域。例如，應用填充微觀點陣結構的衛星支架多尺度拓撲優化設計，使衛星支架減重
17%
，動態響應減少
25%
；考慮切口、保持傳統鈑金輪廓的渦輪發動機支架的拓撲優化設計，使發動機支架減重2
5
%，考慮增材制造工藝，擴大設計空間的拓撲優化設計，使發動機支架減重6
6
%，最大位移減少約5
0
%；由3
0
多個單獨部件組成的穩定器前翼梁支架，應用拓撲優化一體化設計，成功實現前翼梁支架減重3
0
%，顯著改善結構性能，提升加工效率。
然而拓撲構型通常較為復雜，受制于傳統制造工藝限制，設計人員往往需要簡化最優拓撲構型，而不能充分體現拓撲優化的結構優勢。
展開 沈航：面向金屬增材制造的拓撲優化設計研究進展
金屬增材制造技術雖有效解決了復雜拓撲結構可制造性差的問題，但仍存在某些制造約束，如當結構最小尺寸小于束斑直徑時，零件實際打印輪廓會超出設計輪廓；激光選區熔化技術所能制造的零件幾何尺寸受限；當懸垂角度選擇不當時，會產生零件裝配孔材料塌陷、支撐結構斷裂等現象；采用粉末床增材制造技術時，制造的含有封閉孔洞的結構存在內部粉末與支撐無法去除等問題。因此，在拓撲優化設計中需同時考慮結構幾何約束、成形約束、材料性能約束等多種增材制造約束，從產品拓撲優化設計源頭改善制造工藝局限性，以實現結構設計制造的一體化。
增材制造打印失效 ：（a）裝配孔材料塌陷；（b）支撐結構斷裂；（c）內部支撐無法去除
拓撲優化設計可以依據材料屬性、約束條件及載荷工況，在給定設計區域內尋求材料最佳分布形式與最優承力路徑，實現高性能輕量化設計。金屬增材制造技術基于高能束熱源，采用快速熔化與逐層疊加的成形方式，可實現復雜拓撲構型的快速原型制造與實體自由制造。將拓撲優化設計與金屬增材制造結合，歸納了基于單元網格與邊界演化的拓撲優化方法在改善結構連續性與可制造性方面的有效措施，總結了考慮金屬增材制造幾何尺寸約束、成形約束及材料性能約束的拓撲優化方法，為學者們進一步研究面向金屬增材制造的拓撲優化設計提供了參考。
展開 
增材制造，“降本增效”設計思維必不可少
作為一種生產設備依賴更少的數字化制造技術，增材制造將有可能改變某些產品的生產模式和商業模式，給企業和消費者帶來巨大的經濟和社會效益。當前隨著數字化技術的發展，生產模式進入智能化時代，大規模定制能力成為核心競爭力，生產效率和靈活應變兼顧。創成式設計等DfAM設計思維大大降低了設計師的行業門檻，將消費端、生產端、銷售端、物流端統一結合起來，全部人員直接參與到產品生命周期當中。
DfAM賦能商業模式進化
案例分析——DfAM思維驅動降本增效的成功案例
德國Fraunhofer激光技術研究所在增材制造降本增效方面做了大量的研究工作，尤其是在DfAM思維驅動下的系統性降低成本研究取得了顯著的效果。最近，Fraunhofer IAPT利用工藝改進和優化設計相結構的DfAM思維重新設計了跑車車門鉸鏈，成功使其成本降低了約50%，重量減輕了35%。
3D打印車門鉸鏈
首先，Fraunhofer IAPT開發了一款增材制造潛力評估軟件——3D Spark。3D Spark與安世亞太自主開發的增材潛力評估小程序類似，具有零件分析和篩選功能，可引導找到適合增材制造的零件。這是本項目取得最終成功的關鍵一步，所選零件增材潛力的大小，決定了降本增效天花板的高低，因此找到合適的零件至關重要，可以達到事半功倍的效果。
在設計的環節中，鉸鏈臂的結構根據DfAM設計原則進行了優化，充分利用了增材制造的優勢，并對幾何形狀進行了拓撲優化，將鉸鏈臂的重量減少了35%。由于材料需求的減少和打印時間的縮短，與沒有結構優化的設計相比，成本降低了20%。
在設計環節中還應考慮結構形式對后處理的成本影響。
展開 設計仿真 | 圓管法蘭使用 Marc 進行裝配增材制造
01
概 述
預測焊接和增材制造（AM）中的殘余應力和變形對于確保制造部件的質量非常重要。但是，使用熱-機械耦合分析模擬大型焊接組件或多層AM零件非常耗時。采用固有應變法進行焊接或增材制造模擬時，可以對焊接、增材制造等工藝變形、應力進行快速結構響應。在該方法中，使用固有應變作為結構邊界條件，模擬了塑性應變、熱應變、蠕變應變和相變應變的組合效應。在焊接過程中受到高溫的組件部分稱為熱影響區。根據應用需求，有兩種方式可以定義熱影響區方法如下：
a)直接定義-熱影響區由用戶選擇定義，選擇對應單元分配固有應變；
b)焊接運動學-在這種方法中，熱影響區位于移動焊接池尺寸內的積分點被指定為固有應變。
02
案例分析過程
有限元模型如圖1所示。該模型由圓形管道（底板）組成，法蘭（am_flange）通過金屬沉積形成。本分析的目的是使用固有應變邊界條件模擬金屬沉積過程。該模擬的結果給出模型中變形和殘余應力的合理估計。
展開 DfAM專欄 | nTopology—面向增材制造的高效設計平臺
nTopology是一款面向增材制造的高效設計平臺，平臺預置了大量增材制造常用的設計工具包，工程師通過調用若干個預置工具包、或自主開發定制的工具包，建立一個工作流，實現復雜幾何結構的參數化設計。nTopology集合了的強大幾何建模和仿真分析功能，并充分考慮增材制造的工藝特點，能夠幫助工程師快速掌握面向增材制造的設計方法，充分發揮增材制造帶來的廣闊自由度，同時可重復使用的工作流使得設計流程自動化，大大提高設計效率。
展開 設計仿真 | 圓管法蘭使用 Marc 進行裝配增材制造
01
概 述
預測焊接和增材制造（AM）中的殘余應力和變形對于確保制造部件的質量非常重要。但是，使用熱-機械耦合分析模擬大型焊接組件或多層AM零件非常耗時。采用固有應變法進行焊接或增材制造模擬時，可以對焊接、增材制造等工藝變形、應力進行快速結構響應。在該方法中，使用固有應變作為結構邊界條件，模擬了塑性應變、熱應變、蠕變應變和相變應變的組合效應。在焊接過程中受到高溫的組件部分稱為熱影響區。根據應用需求，有兩種方式可以定義熱影響區方法如下：
a)直接定義-熱影響區由用戶選擇定義，選擇對應單元分配固有應變；
b)焊接運動學-在這種方法中，熱影響區位于移動焊接池尺寸內的積分點被指定為固有應變。
02
案例分析過程
有限元模型如圖1所示。該模型由圓形管道（底板）組成，法蘭（am_flange）通過金屬沉積形成。本分析的目的是使用固有應變邊界條件模擬金屬沉積過程。該模擬的結果給出模型中變形和殘余應力的合理估計。
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