增材制造在产品性能与附加值提升上极具吸引力，但当许多制造用户面对较高的增材制造成本时仍会在潜意识中难以接受, 表面看来，除了等待增材制造设备、材料的成本逐渐降低以外似乎没有其他方式来降低增材制造成本。不过，3D科学谷观察到宾夕法尼亚州立大学工程设计与制造的学者开展的一项研究，可以量化“DfAM 为增材制造而设计”在降低增材制造成本中所起到的作用。

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DfAM-增材制造价值“放大器”

DfAM（Design for additive manufacturing，为增材制造而设计)最常见的定义是：基于增材制造技术的能力，通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。

DfAM 在激发增材制造技术的应用潜能，提升产品性能与附加价值方面所发挥的作用已逐渐受到关注与重视。通过GE公司 LEAP 发动机3D打印燃油喷嘴这样的经典增材制造应用在航空发动机终端市场所取得的成功，我们可以清晰的感受到增材制造设计思维为产品性能提升所带来的价值。然而，要量化增材制造设计思维的作用却具有挑战性。

 简化的成本计算模型

宾夕法尼亚州立大学工程设计与制造教授Timothy W. Simpson 给出了一种粉末床激光熔化增材制造的简化成本计算模型。

来源：Timothy W. Simpson教授 / AM

这一成本计算公式有四个主要组成部分是：（1）材料（2）打印构建时间（3）3D打印设备成本（4）预处理/后处理成本。

理论上，需要的材料越多零件的成本就越高，但构建时间和设备成本之间的联系更加紧密。更长的构建时间等于更高的成本，但是更昂贵的增材制造设备的运行成本更高，例如多激光器的LPBF 设备，当然这类设备的打印速度更快。

此外，由于铺粉机需要约10秒钟才能散布新的粉末层，因此要制造的零件的最大高度也会增加制造时间以及增加相应的设备成本。这种“固定时间”和相关的成本看似微不足道，但是当一个零件需要1,000层甚至更多时，这些隐形成本就变得可观了。根据最近的行业平均水平，增材制造零件的预处理和后处理成本估计约为总成本的40％。

 材料成本与设备成本对总成本的影响

使用以上简化的成本计算模型，可以将使用粉末床激光熔化3D打印制造的零件的总成本估算为构建时间乘以设备操作成本再加上材料成本的总和，除以1减去预处理/后处理成本的百分比。为了便于估算总成本，假设前处理/预处理成本占50%，那么材料与设备成本之和的2倍即为估算出的金属增材制造零件总成本。

有了以上这一简单的成本估算公式，就可以比较容易地根据DfAM为金属增材制造零件成本带来的节省来量化其价值。我们还可以将节省下来的费用与其他因素节省下来的费用进行比较，例如减少粉末原料的成本或通过增加激光数量或其他提高成型速度的改进所带来的生产率提高（从而节省设备成本）。 其他提高成型速度的方式包括：更高的激光功率，更大的光斑尺寸，更厚的涂层。

如果将粉末原料的成本降低10-20％，那么材料成本也将降低10-20％。当我们应用预处理/后乘数时，总成本下降的比例则会缩小，例如，如果材料成本和设备成本对零件成本的贡献相同，那么当假设前/后处理所占成本比例为50%时，总成本将只降低5-10％，因为只有一半的成本归因于材料。

 打印速度对总成本的影响

相同的逻辑适用于构建速度。如果构建速度增加一倍（或四倍），那么构建时间（即激光曝光时间）将减少，但总成本并不会减少50％（或75％），因为还有铺粉时间。零件中较短的部分（z轴高度低）可能会减少45％（或70％）的构建时间，而较高的部分（z轴高度较高）可能只会减少30％（或60％）而不是50％或75％。

多激光增材制造系统的每小时成本可能比单激光系统高50-100％，但由于减少了构建时间而节省的成本没有期望的那么高。出于争论的目的，可以说将制造速度提高一倍可将金属增材制造零件的设备成本节省30％。 与材料成本一样，在应用前/后处理乘数后，因打印时间的减少而降低的总成本也会缩小，在这种情况下，最终成本将减少15％。

 DfAM对总成本的影响

接下来分析DfAM带来的成本节约。如果我们像通常那样使用DfAM对结构进行轻量化，那么可以通过减轻重量而降低材料成本。这也意味着更少的制造空间，从而减少了激光曝光和制造时间，降低了机器成本，而没有增加每小时的设备速度。DfAM 还通过设计优化实现了支撑材料的减少，进一步降低了材料成本、制造时间和机器成本。

来源：Timothy W. Simpson教授 / AM

假设预处理成本在于打印准备工作，而不是非重复性工程（即设计、优化、分析），那么更少的支撑材料就意味着更少的打印准备。更重要的是，更少的支持意味着更少的后处理成本，因为去除支撑的后处理时间也减少了。因此，DfAM还可以降低前/后处理成本，降低成本乘数，从而节省更多成本，并进一步提高DFAM的价值。

图中的示例显示了与采用两倍的制造速度或将粉末原料的成本降低40％相比，使用为增材制造而设计的（DfAM）晶格结构可将重量减轻40％，使总成本降低3倍至4倍。

在以上分析中可以看到，降低粉末价格、提高制造速度对降低增材制造总体成本非常有利，但也能够看到DFAM是增材制造的最佳价值乘数，DFAM同时降低了材料成本、制造时间、机器成本以及前/后处理成本的百分比，从而使节省的成本增加了很多倍。而且，面向增材制造的设计是制造商自身可控的因素，而粉末价格、打印速度、设备成本的降低则更多不易控制的外因。换言之，如果制造商希望投资增材制造技术，那么确保在面向增材制造的设计技术方面进行投资，例如投资面向增材制造设计的软件与培训，这些投入具有使增材制造价值倍增的价值。

3D科学谷Review

这项研究从增材制造成本的角度诠释了DfAM 对于增材制造的重要性，量化分析的侧重点在于DfAM 为增材制造整体制造成本下降所带来的价值倍增作用，DfAM 为下游应用产品整个生命周期中所带来的附加价值的分析不在这项研究的范围当中，但这也是制造用户引入增材制造技术时值得去深入思考与分析的。

根据3D科学谷的市场观察，专业的增材制造解决方案提供商对于站在用户制造挑战的角度上，分析增材制造在产品生命周期中带来的附加价值非常重视。例如，在注塑模具3D打印应用中，瑞士精密机床制造企业 GF 加工方案对金属增材制造技术为下游注塑企业带来的成本效益进行了详尽的研究与分析（参考《微课 l 3D打印注塑模具成本效益分析及创新性应用》）。更多DfAM 的信息请前往3D科学谷“仿真与正向设计”话题。

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这种生产系统与粉末冶金（包括金属注射成型工艺，MIM）颇有近亲的感觉，然而其制造过程中并没有使用模具。这种技术将使制造商能够显著降低其成本，从而使该技术成为铸造的替代技术。根据3D科学谷的市场观察，这一间接金属3D打印工艺引起了汽车制造商的兴趣，例如大众汽车将使用惠普的粘结剂喷射金属3D打印技术，首先进行大规模定制和装饰部件的制造，并计划尽快将通过该技术制造的结构部件集成到下一代车辆中，并着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。

然而，在粘结剂喷射金属3D打印技术走向规模生产应用之前，有效控制烧结变形是必须要解决的问题。通过仿真软件进行烧结变形控制替代反复试错与经验判断，是粘结剂喷射金属3D打印领域展现出的明显趋势。

根据3D科学谷的市场观察，粘结剂喷射金属3D领域的独角兽企业Desktop Metal 近日推出了用于烧结变形控制的仿真软件-Live Sinter™。该软件将首先交付给其车间系统Shop System™（2020年底交货）和生产系统Production System™ （2021年交货）的用户使用。

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Desktop Metal金属3D打印

快速校正与预测烧结结果

 烧结的挑战

烧结是基于粉末冶金制造工艺（包括粘结剂喷射金属3D打印）中的关键步骤。烧结过程将零件加热至接近融化以赋予其强度和完整性，但此过程通常会使零件收缩，相对于其原始3D打印或模制尺寸收缩可达20％。在烧结过程中，支撑不当的零件还会面临很大的变形风险，从而导致零件从炉子中破裂、变形或需要昂贵的后处理才能达到尺寸精度。

几十年来，烧结变形一直是粉末冶金行业的现实。在大部分时间里，解决方案一直是由经验丰富的人通过反复的试错和经验，将零件设计调整与各种烧结支撑物或“固定器”结合在一起，以实现稳定的大批量生产。

 改变游戏规则

根据Desktop Metal, Live Sinter™ 仿真软件将通过最大程度地减少对试验和错误的依赖，通过仿真技术来改变游戏规则。有了该软件的加持，用户无需成为粉末冶金专家，也能够制造准确的零件。

Live Sinter™ 不仅可以纠正烧结过程中通常会遇到的收缩和变形，而且还为将减少粘结剂喷射金属3D打印技术制造复杂几何结构的挑战，通过改善烧结零件的形状和尺寸公差，提高复杂几何形状零件的首次成功率，并复杂几何形状零件的首次成功率。

Desktop Metal 称，在许多情况下，该软件甚至可以支持在不使用支撑/定位器的情况下进行零件烧结。

 “负偏移”几何可补偿失真

Live Sinter™ 可以针对多种合金进行校准。它可以预测零件在烧结过程中会发生的收缩和变形，并自动补偿这种变化，从而创建“负偏移”几何形状，打印完成后将烧结到原始预期设计的规格。软件可以在特定方向上以精确的数量主动对零件的几何形状进行预变形，从而使其在烧结时能够达到预期的形状。

烧结仿真是一个复杂的多物理场问题，涉及建模零件和材料如何响应多种因素，包括重力、收缩率、密度变化、弹性弯曲、塑性变形、摩擦阻力等。此外，在烧结过程中发生的热力学和机械转变是在强烈的热量下发生的，因此，如果不中止烧结过程或观察高温拍摄图像的变形，就很难观察到它们。但这类方式在新产品研发应用中或许能够被接受，但由于严重延迟了生产时间，这类方式在批量生产应用中则难以被接受。

Live Sinter™ 软件旨在应对烧结中的挑战，为增材制造工程师提供快速且可预测的烧结结果。根据Desktop Metal的数据，仿真结果可在五分钟内完成，而负偏移几何形状则可在二十分钟内完成。

 高速仿真

Live Sinter™ 能够对烧结进行高速仿真预测，与GPU和简化的校准有关。

Live Sinter™ 在GPU加速的多物理引擎上运行，能够对数十万个连接的粒子质量与刚体之间的碰撞和相互作用进行建模。多物理引擎的动态仿真使用集成的无网格有限元分析（FEA）进行了改进，该分析可计算零件几何形状之间的应力、应变和位移，不仅用于预测收缩和变形，还可以预测风险和故障。在开始进行基于烧结的零件增材制造之前，就验证其可行性。

借助这种在速度和精度之间取得平衡的双引擎方法，与使用复杂网格并需要复杂设置和工时才能完成的通用仿真工具相比，Live Sinter™ 可以在五分钟内模拟一个典型的烧结炉周期，并生成负的偏移几何形状，在二十分钟内补偿收缩和变形。此外，该软件可以与新材料和烧结硬件、工艺参数进行校准兼容。

Live Sinter™ 烧结工艺仿真软件除了在2020年第四季度起向Desktop Metal的粘结剂喷射金属3D打印系统用户提供之外，还可能向任何基于烧结的粉末冶金工艺提供。

3D科学谷Review

与PBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印工艺相比，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术具有几个关键优势：更具经济性的粉末材料（类同于MIM工艺所用的金属粉末材料）；高效的打印速度适合大批量生产应用，包括汽车、飞机零件、医疗应用。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因为烧结温度低于其他类型的金属3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加。然而，这并不能完全消除温度梯度和产生残余应力的挑战。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。

但管理和补偿烧结阶段发生的大量收缩是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术面临的最大挑战之一。零件在炉内收缩30-40％，线性收缩15-20％。如果零件很小并且壁厚均匀，那么收缩是可以预测的。然而，不同厚度的大型零部件的烧结过程会对几何形状产生非常复杂的问题。根据3D科学谷的市场研究，烧结收缩目前严重限制了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术适用的几何形状和应用类型。

根据3D科学谷的市场观察，这些粘结剂喷射金属3D打印技术的短板正在仿真软件的发展中逐渐消失。国际上，通用仿真软件企业和基于烧结的间接金属3D打印技术企业都将烧结仿真技术推向了市场。3D科学谷通过谷透视文章《Simufact推出了金属粘结剂喷射（MBJ）仿真技术，以实现批量生产》与《间接金属3D打印零件变形与收缩难以控制？AI软件或将解决这一难题》进行了跟踪与分析。

当制造商希望利用粘结剂喷射等基于烧结的间接金属3D打印技术的灵活性进行批量生产时，仿真揭开了烧结过程的“神秘面纱”，成为这类间接金属3D打印技术走向生产的关键“伴侣”。

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但目前常见的多孔设计方式并非是十全十美的，因为许多医疗设备需要足够的刚度模量和抗压强度，植入物的骨整合性能和机械性能之间可能需要进行折衷，通过降低骨整合的性能来改善机械性能，反之亦然。

本期，3D科学谷将分享一种新型的增材制造骨科植入物设计方式，能够在骨整合与机械性能方面做出较好平衡，有利于促进骨整合，并展示出孔隙率和抗压强度的新颖比率。

多样化的表面设计

 三重周期性最小表面

骨科植入物制造企业 RESTOR3D 提出了一种运用三重周期性最小表面（TPMS）结构的3D打印骨科植入物，并提出了其设计与制造方法。

来源：US10,772,732 Bl

该植入物包括顶表面和底表面与钛框架。钛框架包括周边部分以及将钛框架一分为二的内部，其中周边部分和内部限定了第一空隙区域和第二空隙区域。框架与采用TPMS结构的表面由粉末床选区激光熔化3D打印技术一体化成形。

TPMS表面从钛框架的顶表面穿过第一空隙区域和第二空隙区域延伸到底表面， 带有TPMS的部分具有以下特点：1）旋转（螺旋）结构；2）壁密度大于99％；3）具有第一长度的x和y侧和第二长度的z侧的单位单元；4）刚度模量约为3-14 GPa；5）孔隙率约为55-85％；6）极限压缩强度约为50-230 MPa。

1A-C是一种TPMS 结构-螺旋(gyroid)。来源：US10,772,732 Bl

以上所描述的植入物能够有利地促进骨整合。骨整合一般是指期望的骨向内生长到植入的结构中。植入物中包含了基于薄片的三重周期性最小表面（TPMS）。

I TPMS 的优势

• 类似于皮质或小梁骨的刚度；
• 孔隙率-抗压强度比，允许植入物宏观结构保持足以执行植入物功能的抗压强度，同时提供足够的孔隙度以实现骨整合;
• 选择性各向异性，从而实现特定方向的机械性能；
• 高表面积-体积比，从而在不牺牲孔隙率的情况下减小植入物的尺寸/重量；
• 平均曲率为零，从而降低了应力集中，在制造过程中提供了自支撑以及恒定横截面的弯曲植入物表面。

在通过以上方法制造的植入物样品中，TPMS 植入物基本上没有缺陷并且展示了孔隙率和抗压强度的新颖比率以及其他期望的机械性能，并具有恒定横截面的弯曲植入物表面。

4A-B 为各向同性和各向异性植入物。来源：US10,772,732 Bl

通常增材制造植入物表面多孔结构中有节点或支杆，这些地方会导致应力集中，可能会引入结构缺陷或破坏点。RESTOR3D 所采用的TPMS 结构没有表现出先前植入物的应力集中，而是具有更坚固的植入物结构。

RESTOR3D 对于以上描述的TPMS 植入物进行了增材制造，可使用的技术包括但不限于SLM 3D打印技术。

先前的SLM工艺参数通常导致有缺陷的结构，发生变形或无法达到预期的理想参数，如预期的孔隙率或强度。如使用默认参数制造基于薄片的TPMS植入物，可能会出现内部空隙缺陷，并可能会导致裂纹从而导致结构故障。

RESTOR3D 为了生成理想的TPMS 植入物对工艺参数进行了优化。例如，在其中一次实验中，将非默认和不匹配的激光参数用于轮廓扫描和填充扫描。先前的SLM工艺采用的轮廓扫描和填充扫描激光参数为100瓦（W）、2800毫米/秒扫描速度和50微米聚焦，而新激光参数为，在100瓦，2800毫米/秒扫描速度、50微米聚焦的激光参数下执行轮廓扫描，并且在145瓦的激光参数下执行填充扫描，扫描速度为1000毫米/秒、聚焦为50微米。

3D科学谷Review

在以上植入物设计中所采用的代表性TPMS结构-螺旋（gyroid）是一种的典型的为增材制造而设计的结构，它们既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比，多被集成在需要进行热交换的3D打印部件中，例如热交换器、散热器。TPMS 结构在3D打印骨科植入物中的应用，为通过增材制造提升骨科植入物的寿命提供了新的设计优化思路。

更多关于TPMS结构的3D打印应用请前往3D科学谷“仿真与正向设计”内容专辑。

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变形的问题，仿真来控制

 面向规模生产需求

Hexagon海克斯康旗下的仿真软件Simufact于2020年9月24日推出了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印工艺的仿真技术，使制造商能够在设计阶段预测并防止烧结过程对零件产生的变形。新的仿真工具标志着增材制造迈出了重要的一步，因为它可以帮助制造商获得所需的质量，从而通过Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印工艺用于批量生产提供独特优势。

三个阶段的几何设计优化。来源：海克斯康

与PBF基于粉末床的选区激光熔化金属3D打印工艺相比，Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术具有几个关键优势：更具经济性的粉末材料（类同于MIM工艺所用的金属粉末材料）；不需要支撑结构；高效的打印速度适合大批量生产应用，从汽车、飞机零件到医疗应用。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术与几乎所有其他金属3D打印工艺相比都是独一无二的，因为在3D打印过程中不会产生大量的热量。这使得高速打印成为可能，并避免了金属3D打印过程中的残余应力问题。

Desktop Metal金属3D打印

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术将热加工过程转移到烧结步骤，这使得更容易管理热应力，因为烧结温度低于其他类型的金属3D打印工艺中所需的完全熔化温度，并且热量可以更均匀地施加。然而，这并不能完全消除温度梯度和产生残余应力的挑战。

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术有可能取代小批量，高成本的金属注射成型，还可以用于生产其他领域复杂而轻便的金属零件（例如齿轮或涡轮机叶轮），大幅降低3D打印成本，并缩短交货时间。

管理和补偿烧结阶段发生的大量收缩是Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术面临的最大挑战之一。零件在炉内收缩30-40％，线性收缩15-20％。如果零件很小并且壁厚均匀，那么收缩是可以预测的。然而，不同厚度的大型零部件的烧结过程会对几何形状产生非常复杂的问题。根据3D科学谷的市场研究，烧结收缩目前严重限制了Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术适用的几何形状和应用类型。

灰色部分代表Simufact软件预测的收缩。来源：海克斯康

Simufact Additive软件可以预测烧结过程中由热应变，摩擦和重力等因素引起的收缩。通过补偿这些变化，零件可以按设计进行3D打印，生产团队可以大大减少必须报废或重新处理的零件比例。这款软件在3D打印之前还可以预测烧结引起的应力，表明可能在哪里发生缺陷，这使得可以在设计过程中尽早进行更改。

根据3D科学谷的市场观察，Simufact Additive软件还可以通过Python脚本自动化仿真。为了验证烧结补偿并提高质量可信度，可以将初始设计（CAD）几何图形和制造中的零件的计量扫描进行比较。

3D科学谷Review

 短板：变形收缩、烧结挑战

Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术，通过将金属粉末与粘结剂层层粘结成为零件毛坯，再经过脱脂烧结过程制造成金属零件的间接金属3D打印技术。这种生产系统与MIM金属注射成型工艺颇有近亲的感觉，然而其制造过程中并没有使用模具。这种技术将使制造商能够显着降低其成本，从而使该技术成为铸造的替代技术。

在这方面，大众汽车上将使用惠普的金属3D打印技术，首先是进行大规模定制和装饰部件的制造，并计划尽快将Metal Jet金属3D打印的结构部件集成到下一代车辆中，并着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。

然而在使用粘结剂喷射金属3D打印技术走向规模生产之前，有效的控制收缩变形是必须要解决的问题。

根据3D科学谷的市场观察，拿Desktop Metal举例，实时仿真方面Desktop Metal与多物理场模拟软件开发商ANSYS合作紧密。ANSYS的Discovery Live平台允许对CAD模型进行更改，以显示流体或空气流量如何实时受到影响，并且任何人都可以使用，而不仅仅是专家。Discovery Live可以让工程师立即检查其设计变更的影响，这个平台支持流体、结构和热模拟应用。这使得设计师可以通过交互的方式探索简单和复杂变化的影响，迭代变得更加快速便捷。

烧结过程中，零部件在支架上通过支撑/定位器来固定，并放置在具有惰性气氛的炉子中。首先进行脱粘循环，烧掉粘结剂的聚合物组分，温度通常在200-600℃范围内。必须从部件中完全除去所有粘结剂，否则粘结剂中的残余碳将对烧结过程产生负面影响并损害最终零部件性能。

去粘结是一个缓慢的过程，因为粘结剂必须通过微小的多孔材料结构蒸发。如果施加太多的热量和能量，则金属颗粒基质受到干扰，导致最终部件质量受到不利影响。粘结剂以约1厘米/小时的速度从外表面移除，因此较厚的部分可能需要数天才能解除粘结。

然后是第二次烧结循环，熔化温度约为金属熔化温度的80％（不锈钢为1200-1400℃）。烧结缓慢收缩并使零件致密度达到93-99％的密度。与去粘结一样，烧结过程可能非常耗时，特别是对于较大，较厚的零件。

在炉子中，零部件的较薄部分将比较厚的部分加热和烧结得更快，这些部分将应力引入厚度变化的零部件中。此外，零部件烧结后的冷却进一步放大了这种效果。这些热梯度和应力会使部件翘曲和损坏，并可能产生影响材料特性的非均匀晶粒结构。

随着仿真软件的发展，将释放Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的发展潜力，根据3D科学谷的市场观察，未来，模具、铸造、金属注射行业将首先受到Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的影响，而汽车行业或将是最先直接受益于Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术的发展应用领域。

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传统液压元件与3D打印液压元件在设计上有着显著的不同。以液压阀为例，传统液压阀块为规则的长方块状结构，而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。

本期，3D科学谷将分享一项增材制造液压歧管的设计与优化研究，与谷友共同了解3D打印液压歧管与传统液压阀块在设计和性能方面有哪些不同，并为广大液压元件制造企业在利用增材制造技术进行液压元件产品设计优化升级提供参考。

更轻、更小、更长寿

 液压阀制造存在的挑战

采用传统方式制造液压阀时，首先要从一个金属块开始，通过传统制造方法将金属块修整为所需外形，然后钻出供液压流体流通的内部管路。而想要精确地钻出这些管路非常困难，管路需要在特定点准确交汇，但在一些“盲”钻位置上，管路时常无法精确对准。此外，钻洞时需要开工艺孔并在最后加以密封，这就导致组件有可能在工艺孔的位置发生泄漏。

 液压歧管设计优化

l 目标

• 使用有限元方法分析液压歧管块；
• 使用面向增材制造的设计，优化结构元素布局以及几何参数，从而实现3D打印液压歧管的结构刚度最大化，质量最小化；
• 使用增材制造技术进行液压歧管制造并验证结果；
• 传统液压阀块与3D打印歧管比较。

传统液压阀块设计模型。来源：JETIR

图中显示的传统液压阀块是使用 Creo Parametric CAD 软件设计的。材料为球墨铸铁GGG40。零件加工程序在CNC 工作站中自动生成。阀块原材料为经过热处理的铸造件。

优化要求是在产生最小应力和随着结构刚度增加而产生的应变之处实现减重，并使设计最适合于增材制造。由于使用的制造工艺为增材制造，液压歧管的优化设计可以从头开始进行，也可以去除一些忽略应力的区域。

l 增材制造液压歧管优化过程

来源：JETIR

 有限元分析

l 基本步骤

-预处理：定义问题*

（i）定义元素类型和材料/几何特性；
（ii）所需的网格线/面积/体积。

-解决方案：分配负载、约束和解决方案**

-后处理：进一步处理和查看结果。

（i）最大当量应力（ii）总变形

l 传统液压阀块结构分析

-预处理：首先准备CAD 模型，检查几何的网格化

-为每个组件应用材料

来源：JETIR

-创建网格

网格。来源：JETIR

-定义边界条件

传统阀块边界条件。来源：JETIR

-传统液压阀块模型分析结果

来源：JETIR

l 增材制造液压歧管结构分析

-预处理

-为每个组件应用材料

来源：JETIR

-创建网格

网格。来源：JETIR

-定义边界条件：

3D打印液压歧管边界条件。来源：JETIR

-3D打印液压歧管模型分析结果

来源：JETIR

对以上增材制造液压歧管模型进行分析后，研究人员发现输出值更加理想，因此进一步优化了几何形状，并再次对修改后的模型进行了结构分析，分析结果如下：

来源：JETIR

 结果与讨论

考虑到基于增材制造的设计准则，增材制造技术可用于制造非常复杂的几何形状。传统液压阀块不仅重量大，并由于受到制造工艺的限制仍存在流体停滞或湍流现象。

液压阀块与3D打印液压歧管对比分析结果。来源：JETIR

研究人员在对液压歧管阀块进行了重新设计与优化之后，得到以下结论：

• 面向增材制造的液压阀块设计优化在所需条件下是安全的，在180 bar的工作压力下安全系数为1.5，等效应力低于极限强度，并且可以承受高达500bar的压力。
• 压降降低了30％。因此，液压歧管块的新设计将非常有效地工作，并且液压歧管块的工作时间将减少。
• 在研究中采用的材料为球墨铸铁的传统液压阀块，重量在5千克左右，重新设计和优化零件后，重量降低至1.06千克，减重约78.2％。
• 增材制造液压歧管使用的材料为316L 不锈钢，具有良好的耐腐蚀性。
• 液压歧管的重量越低对于装配的要求就越低。例如在其中一项优化中液压歧管装配的总重量约为8千克，优化了后重量减少至4.09千克，因此组件装配更加容易，装配时间缩短。

通过对3D打印液压歧管进行分析，研究人员在发表的论文中总结了增材制造技术在液压阀制造中的优势：

• 显著减重（高达80%）
• 压降下降，流量能力增加，液压歧管使用寿命将增加；
• 总体交货时间缩短；
• 不需要任何模具；
• 流体通道采用一体化成形，无需插头，消除潜在的泄露风险；
• 增材制造技术具有更高的设计自由度，能够设计更为进奏的液压歧管。

虽然通过以上分享的研究分析可以看到增材制造在液压阀制造领域的优势，但利用该技术进行设计优化的实践过程并不容易。液压制造商必须考虑流体、压力所带来的设计复杂性，考虑如何在系统内部定位歧管，内部支撑的放置位置等众多因素。对于液压制造商而言，应用增材制造技术的更大难处在于，如何制造根据“增材制造设计思维”开发液压元件。

传统加工方法的制约某种程度上使得流体与结构拓扑优化后的液压零部件加工制造遭遇一定的难度，而仿真技术与3D打印-增材制造技术结合，正在突破着传统液压元件设计思维与制造的局限性，并推动液压元件设计优化与性能升级。

深入了解面向增材制造的液压元件设计优化升级，敬请前往3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书2.0》、《下篇-3D打印与液压白皮书2.0》。

参考资料：

MR. KESHAV H. BHAVSAR. Design And Optimization Of Hydraulic Manifold Block For Additive Manufacturing.

论文下载请前往：3D科学谷QQ群-木星群（群号：106477771）群文件。

注释

*预处理的主要步骤是定义关键点/线/区域/体积；

** 在这里，有必要指定载荷（点或压力）、约束（平移和旋转），最后求解所得的方程组。

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本期，通过etteplan团队关于液压元器件，无人机，气体通道等功能性产品的设计与制造分享，我们来共同领略仿真驱动的正向设计对释放3D打印潜能的作用。

 产品附加值来自产品设计。来源：etteplan

 仿真赋能设计与制造

视频中分享的仿真在3D打印中的应用主要包括设计与仿真的结合，制造工艺与仿真的结合。

l 设计

视频中分享了设计过程中需要将设计结果与FEA有限元分析以及CFD计算流体力学等仿真手段相结合，才能获得更加优化的设计结果。而在3D打印之前，需要与工艺仿真工具相结合，才能更加准确的制造出合格的产品。

设计与仿真的结合带来更出色的产品性能。来源：etteplan

FEA有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

CFD是计算流体力学（Computational Fluid Dynamics）的简称，是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解。CFD兴起于20世纪60年代，随着90年代后计算机的迅猛发展，CFD得到了飞速发展，逐渐与实验流体力学一起成为产品开发中的重要手段。计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。板翅式换热器设计是CFD 技术应用的重要领域之一。

在数字时代之前，工程师依赖于基于粗略假设的计算和工程直觉。通过耗时的反复试验可以改善计算和直觉，但是这种方法在时间和成本上存在很大的限制。

相对而言，CFD仿真以更准确，更省时和更具成本效益的方式每秒可进行数十亿次计算，从而在流体动力行业，CFD已被证明是设计工程师必不可少的工具。根据3D科学谷的市场观察，CFD与增材制造（3D打印，AM）结合的时候，可以实现复杂设计的快速迭代并实现满足性能目标的验证。

目前比较主流的CFD软件有：CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、comsol、star-ccm+、flow-3D、AUTODESK CFD（前身为CFdesign）。其中CFX，Fluent，star-CD，comosol等为通用求解器，能够解决各类流体问题。

根据《仿真技术与3D打印推动液压元件性能升级》一文，传统加工方法的制约某种程度上使得流体与结构拓扑优化后的加工制造遭遇一定的难度，随着3D打印-增材制造技术的不断成熟和应用，通过CFD和FEM在制造前预测性能、优化设计并验证产品行为，零件经过结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后通过增材制造技术加工出来。CFD、FEM技术与3D打印-增材制造技术相得益彰，互相成就，共同推动液压零件实现性能升级。

建模与仿真的无缝结合正成为大势所趋，在这方面，欧特克（Autodesk）2019年11月就宣布了与工业仿真软件企业ANSYS 之间的下一步合作关系，双方将建立起设计软件与仿真软件的无缝互操作性，为制造用户带来革命性的设计与工程敏捷性。这种合作可以实现增强创成式设计等新的自动化流程，而自动化的流程将缩短产品上市时间，使多个工程团队可以更为顺畅的地一起工作。

l 打印工艺

对于金属3D打印来说，根据《案例展示金属增材制造过程仿真分析(上篇）》《案例展示金属增材制造过程仿真分析 (下篇) – 微观尺度》宏观尺度增材过程仿真分析，包括如何借助仿真分析工具，进行构件的快速摆放设计、支撑优化、结构优化、变形补偿，以及热处理过程的仿真分析优化。微观尺度增材制造过程仿真分析，主要关注熔池特征、微观组织结构特征及详细的温度变化历史特征，通过快速计算不同工艺参数组合下熔池尺寸、未熔合产生的孔隙率以及微观结构晶粒尺寸、取向等来优化工艺参数，最终实现成形材料力学性能的调控。

过程仿真带来成功的产品制造结果。来源：etteplan

国内关于加工工艺仿真的发展正随着增材制造的应用开发而稳步发展，根据安世亚太，为了解决质量的一致性与稳定性，面向增材制造3D打印的工艺模拟软件近年得到了越来越多的应用，利用模拟仿真软件可以对打印过程进行有针对性的调整、优化，减少试错，降低成本，提升3D打印成功率和打印质量。

目前市场上的各种增材制造工艺仿真软件各有侧重点，但忽略了工艺路径对3 D打印成功的影响非常之大，而市场上不同行业的用户对包含工艺路径的增材制造工艺仿真的需求却越来越高；此外，考虑到热源作用下，熔池附近的材料经历反复的熔融凝固过程，该物理过程对制件温度场也有根本影响。

国内，在这方面，安世亚太与中科煜宸联合开发的面向金属增材制造定向能量沉积工艺的专业工艺仿真软件AMProSim-DED仿真模拟系统考虑温度相关的材料非线性属性，基于工艺文件的运动路径信息，模拟增材制造工艺的材料堆积过程，可以详细模拟零件分区、打印路径以及熔融冷却的相变过程对增材制造过程的影响，预测增材制造过程中的温度、应力和变形，优化工艺参数，从而保证3D打印质量和打印效率，避免低效的试错过程。

AMProSim-DED提供增材工艺、热处理工艺仿真的相关分析功能，包括可模拟增材制造工艺、热处理工艺过程，获得其温度、变形以及应力的分布；解读3D打印路径文件，提供路径规划软件数据接口，可以将打印程序的控制指令信息转换为仿真可以读取的路径数据表，直接考虑扫描路径进行增材工艺仿真；根据3D打印扫描路径的材料堆积过程，模拟在热源作用下材料的熔凝过程，来计算制件在增材制造过程中随时间变化的热传递行为；并且，考虑材料的非线性行为以及基板实际约束条件，通过热应力耦合分析来进行增材制造过程的变形以及应力分析。

除了视频中提到的仿真在建模和加工中的作用，根据3D科学谷的市场观察，仿真在材料开发方面的重要性也在逐渐显现。

l 材料开发

材料开发方面也呈现出仿真对复杂材料开发的重要价值，通过仿真结合材料特征对增材制造过程进行模拟和零件性能预测，这方面的典型案例是DSM的高性能热塑性解决方案和疲劳破坏机制的建模方法通过与海克斯康e-Xstream的精确，便捷的仿真手段的结合，使用户有机会在Digimat中快速迭代建模结果。通过预测增强塑料部件的耐久性及其他性能，用户免除了之前需要几个月的迭代过程，而仅仅需要几个小时，通过仿真手段减少试错过程，从而避免了数百次的反复测试所带来的时间、财力的浪费。

在《复合材料3D打印结构件有限元仿真计算应用浅析》一文中提到，3D打印技术和仿真方法的结合，将允许通过3D打印复合材料生产更复杂的零部件。3D打印技术与复合材料的结合，能够更方便的制备具有增强属性的结构产品，而微观-宏观复合材料均质化计算方法为这种3D打印复合材料有限元计算提供了可行，提供了基体、纤维比例可控参数化设计，通过有限元计算的应用确定了结构宏观力学计算保障。

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l 3D科学谷在《3D打印与换热器及散热器应用2.0》白皮书中，对设计、打印技术、打印材料，以及计算流体力学分析在实践中的应用进行了深入分析，白皮书可通过下方延伸阅读进行阅读，或前往3D科学谷产业链QQ群（群号529965687）群文件下载白皮书高清pdf 文件-完整版。

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3D科学谷曾分享过一个增材制造飞机燃油滑油热交换器（FCOC）的设计案例。本期，3D科学谷将与谷友继续探讨这一案例，但今天的侧重点是这一3D打印飞机燃油滑油热交换器的设计过程，以及此过程中体现的通过先进设计和增材制造提高FCOC热交换器性能的全新可能性。

设计过程涵盖三个步骤：原始的CAD设计，nTOP 平台中的设计，通过ANSYS CFX 进行流体力学仿真分析（CFD）。

图1 三重周期性最小表面高性能热交换器，用于航空涡轮发动机。来源：nTopology

飞机发动机通过燃烧燃料获得强大的推力，在燃烧过程中产生大量需要消散的热量。在现代飞机中，燃油会在机翼中停留，并因此而变为低温燃料。在飞机机翼中被冷却的燃油将可能产生结晶从而阻塞系统，但这些冷却的燃料也为调节飞机燃烧室、机械和电气系统的温度提供了一种途径。通过燃油滑油热交换器（FCOC）在机油和燃料之间传递热能，将能够起到以下作用：

• 使机油冷却到足以润滑和冷却系统
• 防止燃料结晶
• 使燃油接近点火温度

 解锁先进航空热交换器设计与仿真

在FCOC 新一代高性能热交换器的设计项目中，要求是通过增材制造热交换器替换传统管壳式热交换器，并研究是否可以使用先进设计和增材制造来提高这种热交换器的性能。

 图2 管壳式热交换器。来源：nTopology

l 在有限空间中提高热性能

设计师需要在给定的有限空间中进行设计优化，一种有效的办法是使用高级几何图形，以数学方式精确地控制此设计空间内部的几何图形。在FCOC 项目中，设计师使用nTOP 平台定义了一个体积，用于FCOC 的设计迭代，迭代方式是在实现表面积最大化的同时实现壁厚最小化。

在本案例研究中使用了三重周期最小表面（TPMS），它既具有高强度重量比，又具有非常高的表面积质量比。螺旋(gyroid) 是一种TPMS，可用于定义内部体积。通过在这种热交换器中使用螺旋结构，与更相同尺寸的传统管壳式热交换器相比，该螺旋结构的表面积增加了146％。

Gyroid = S in(x)Cos(y) + S in(y)Cos(z) + S in(z)Cos(x)

当这一设计与增材制造技术相结合时，将能够实现以往无法实现的具有高强度和散热要求的零件。

为实现最小壁厚，设计师选择专为增材制造开发的高强度7000系列铝合金（7A77.60L）作为热交换器制造材料，由此，FCOC的壁厚得以最小化，同时仍能满足飞机的临界爆破压力结构要求。7A77.60L 铝合金的屈服强度几乎是铸造级增材制造铝合金AlSi10Mg的两倍，通过该材料制造的螺旋结构壁厚能够减少为原来设计的一半。

表面积增加146%，而壁厚减少一半，使得相同体积内的FCOC的总热量传递相比传统设计增加大约300％。

l 流体力学仿真预测增材制造热交换器性能

ANSYS CFX 是一种先进的计算流体动力学求解器，被用于评估FCOC的性能。在整个设计迭代阶段，使用了多次CFD仿真对设计进行评估。

设计师根据最初的仿真结果，对能量在螺旋管内部的分配方式进行优化，从而使总传热系数增加12％。从nTop平台到ICEM（用于网格细化和转换）和ANSYS CFX 是一个可重复的工作流程，能够帮助设计师快速设计迭代。

图3 左：带有油速流线的传热系数值；右：显示了带油速传热系数的燃料速度流线。来源：nTopology

图3 显示的仿真分析中，分别使用质量流量约为0.45 kg / s和0.3 kg / s的燃料和油液特性以及边界条件。左图显示了燃料域内部传热系数的等高线图，同时显示了油的流线。右图描绘了油域内部的传热系数的轮廓图，其中燃料流线移动通过了螺旋结构。螺旋内芯的高度仅约100mm（3.9英寸），直径仅为60mm（2.4英寸），整体性能为3KW（10,200 Btu / Hr）。

l 设计方法

接下来，我们来了解一下增材制造FCOC热交换器的具体设计方法。

图4概述了将几何图形从nTop 平台转换为所选CFD工具的过程。该过程是由用户隔离热交换器的流体域，并在nTop 平台中生成这些流体域的体积网格来定义的， 然后将这些流体体积网格导入CFD工具，应用适当的边界条件，再进行流体模拟。

图4 从nTop 平台到CFD所需的流程。来源：nTopology

在进入nTop 平台之前，FCOC的初始设计概念在纸上以及计算机辅助设计（CAD）中经历了多次设计迭代。主要设计考虑因素包括：最小化压降，增强流动特性，引入冲击力以改善传热系数以及进行增材制造设计。

图5 FCOC热交换器的原始设计概念。来源：nTopology

图5 显示了冷、热燃料在热交换器中的流动方式。热油进入顶部管道（1），在蓝色圆顶周围移动，进入螺旋结构（描绘为红色圆柱体），进入内径并从底部的管道（2）退出。冷燃料通过左下方的开口（3）进入，撞击出油管，向上移动通过螺旋结构，撞击在蓝色圆顶上，然后离开右上角（4）。

图5中可见的CAD实体和表面用于定义热交换器的体积。利用这些物体和表面来设计TPMS结构的填充量。CAD软件Cero中的工具用于生成热交换器的外壳和圆顶结构。

l nTop 平台中进行面向增材制造的设计

当在CAD 软件Creo中最终确定边界表示形式时，程序集将另存为单个实体，并将这些实体导入到nTop 平台中。导入后，为了在nTop平台中正确利用CAD几何图形，有必要将零件转换为nTop隐式实体。

图6 圆柱状的螺旋结构。来源：nTopology

nTop 平台具有在圆柱坐标系中创建TPMS结构的独特功能（如图6所示）。这对于更广泛的热交换器设计以及特定的流体流动是有利的。

如图6所示，通过nTop 平台可以改变周长、半径和高度周期，晶胞和壁厚。设计人员可以定制螺旋结构的形状以满足性能要求，例如作为表面积和横截面流动面积。这种几何控制还允许设计人员调整流体进入和排出的方式，以最大程度降低总压降，同时优化热交换器的系统级性能。图7-图10显示了如何调整晶胞大小、周长计数和高度周期，在整个热交换器中实现平滑的流体通道。

从左到右依次为图7,8,10。来源：nTopology

到了这一步，设计师已将CAD几何导入并转换为nTop隐式实体，并生成了流体域。下一步是为创建挡板或分流器，这个步骤是为了防止冷、热两种流体发生混合。

图9 在设计过程中考虑了各种进气口配置,从而最大化流量和可制造性。来源：nTopology

此步骤中的主要挑战是生成用于与流体体积相交的体积。这可能需要设计人员转换额外的CAD实体（面，边，顶点），并分配参数控制参数，做到随着CAD几何形状的更改工作流是可重复的。一旦生成了相交的体积，只需选择要阻止的合适流体即可。大部分相交体积是通过提取CAD曲面创建的，然后将其转换为nTop隐式实体并进行加厚。其他相交的体积使用原始几何块生成新的几何。使用的主要模块是圆环，然后将其重新映射，以创建如图9所示的拱形通道，从而产生了一种对增材制造更友好的结构。

至此，挡板设计的过程已经完成，有必要将新形成的热交换器芯组装到热交换器组件上。在此过程中，nTop 平台可以在周期性的挡板结构和“实体”几何体之间无缝地创建圆角。

l 导入ANSYS CFX

本环节将对用于CFD仿真的离散化nTop 平台实进行描述。如先前在图4中的描述，流体域和热交换器壁已生成，现在需要的是生成这些区域的体积网格。

图11 nTop 平台内部的网格划分过程。来源：nTopology

在图11中，左图描述了用于创建和导出网格的模块，中间部分是热交换器内芯网格，右上方是带有ANSYS Fluent作为格式选项的导出窗口。网格化完成后，可以将体积网格导出为ANSYS Fluent网格（CFD网格文件类型可从nTop 平台获取），然后导入ICEM CFD*。

CFX和Fluent 都是很好的求解器，设计用户可以根据要解决的物理类型进行选择。例如，对于高马赫数/超音速流，首选Fluent，而对涡轮机械和其他不可压缩的流体仿真，可以首选CFX。为了设置和定义任何类型的计算分析，用户必须应用边界条件来选择曲面，这些包括但不限于流体入口和出口面。

定义边界面并转换网格后，将每个流体域分别导入ANSYS CFX，可以识别定义的面，并可以轻松将其分配给其适当的边界条件。在出口为0 kPa的情况下，燃料和机油的入口质量流率分别设置为0.45 kg / s和0.3 kg / s。

一旦建立了从nTop平台到 CFD的工作流程，设计用户就可以在整个设计迭代过程中继续使用该流程。来自nTop平台的网格输出可以在ICEM中识别为设计更新，然后可以将其重新导入并重复整个CFD工作流程。

l 总结

在增材制造飞机燃油滑油热交换器（FCOC）设计与流体力学仿真案例中，已证明了对nTop 平台中生成的复杂几何图形执行CFD的总体可行性。

nTop 平台能够创建复杂的几何图形（TPMS结构、流体体积、平滑的格-固过渡），同时保持对几何模型的完全控制，然后将几何图形导出到外部的仿真平台进行验证。在与外部CAE 工具集成的同时，在单个工具中执行此类复杂操作的能力是空前的，并且可以允许在复杂几何图形上实现快速的设计迭代。

* ICEM CFD是ANSYS的模块，用于网格细化，转换和生成，作为边界选择工具。

参考资料：

“Unlocking Advanced Heat Exchanger Design and Simulation with nTop Platform and ANSYS CFX”

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在图像语音识别、无人驾驶等人工智能领域的运用层面，图形处理器 （GPU）正迅速扩大市场占比，而谷歌专门为人工智能研发的TPU则被视为GPU的竞争对手。当与创成式设计技术结合使用时，GPU加速仿真的效率增益将进一步放大。

创成式设计与仿真。来源：PTC

 算力赋能算法

l 创成式设计与仿真的结合

创成式设计（Generative Design）是一种设计过程，其中人工智能会针对工程师设置的参数和功能目标优化设计。工程师设置载荷，材料约束和边界条件，确定其功能目标，通过创成式算法优化设计空间内的材料布局，以满足这些工程师设置的目标并最大化性能。

创成式设计（Generative Design）是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个（优化）模型。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。

很多人以为创成式设计是拓扑优化或程序建模的一个分支。但实际上，创成式设计是是一个人工智能驱动的流程，利用云来通过探索成千上万的建模可能性来推动创新设计，而不是简单地从原来的设计方案中探索如何减少材料。

创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实，注定已成为创成式设计的“好伙伴”。

不过通常创成式设计出来的结果对应着很多种不同的设计，如今，产品设计师可以在其三维CAD建模环境中直接运行仿真。通过现代计算机的GPU功能加速，这些仿真使设计人员能够以交互的步伐做出明智的决策，而无需等待分析人员对设计进行网格划分并运行有限元分析（FEA）。

在这方面，欧特克（Autodesk）2019年11月就宣布了与工业仿真软件企业ANSYS 之间的下一步合作关系，双方将建立起设计软件与仿真软件的无缝互操作性，为制造用户带来革命性的设计与工程敏捷性。这种合作可以实现增强创成式设计等新的自动化流程，而自动化的流程将缩短产品上市时间，使多个工程团队可以更为顺畅的地一起工作。

l GPU加速创成式与仿真结合

考虑到行业技能的差距，GPU加速仿真是增强创成式设计的基础。GPU加速仿真背后的数学模型可以显示出许多变量如何影响设计，包括非线性静应力、振动容差、流体动力学和热传递等。当然，这些变量并不是孤立存在的。GPU加速仿真正在迅速接近可以评估这些变量的协同相互作用如何影响设计性能的地步。

“算力是引擎的马力”，创成式设计对应的产品设计通常十分复杂，而仿真对影响产品设计周期的意义重大，如何使团队可以更快地进行迭代，并避免进行昂贵的原型设计步骤和后期设计变更，GPU加速创成式与仿真的结合，一切正在开始。

当使用创成式方法进行设计优化时，遗传算法会迭代调整设计并在给定新配置的情况下模拟性能。以这种方式，出现了更高效和高性能的设计配置。GPU处理能力越大，系统运行模拟的速度就越快，从而使创成式的设计工具能够针对更多变量进行优化同时并行开发更多解决方案。

与基本拓扑优化相比，创成式设计的主要优势之一是能够针对不同的制造技术进行优化。创成式设计与仿真结合的力量不止于制造优化，这种方法还可以围绕各种功能目标进行优化，包括材料、强度、传热、流体动力学和重量。而且，从纯粹的商业角度来看，附加到实时市场信息的创成式设计方法可以考虑成本约束。最后，创成式式设计会找到能够最有效地平衡这些相互约束目标的解决方案。

GPU加速的仿真使经验不足的工程师可以快速测试他们的设计，而创成式设计则通过允许他们快速优化他们的设计而走得更远。模块化创成式设计可以进一步提高新手工程师的生产力，在模块化创成式设计中创建模块来解决通用问题。

通过自动找到解决复杂设计挑战的解决方案，创成式式设计可以大大提高生产率并缩短设计周期，与仿真结合在一起可以提高运营效率，加速创新并更快地将其产品推向市场。

 3D科学谷Review

l GPU对制造过程的支持

根据3D科学谷的市场观察，GPU的应用不仅体现在仿真领域，随着3D打印机的尺寸，分辨率，精度和准确性的提高，驱动该过程所需的数据量也随之增加。拿惠普（HP）的MJF 3D打印机所处理的3D文件来举例，文件大小经常超过4.5 TB，而这些文件对应的构建体积为380 x 284 x 380毫米。如果构建体积增加50％，则该文件大小将增加3.375（1.5 ^ 3）或总计15.2 TB。在如此巨大的文件情况下，使用旧版或仅CPU的软件解决方案来处理这种数据量已变得站不住脚，一切正在改变。

GPU功能强大、灵活、可扩展且价格合理。不幸的是，除了渲染漂亮的图片外，大多数都没有用于计算几何中。在制造过程中利用GPU的数据处理和计算能力意味着可以在计算机和3D打印机中处理大量文件。用户不需要每次构建都需要TB级的制造数据，只需要有关如何生成零件的指令，现在就可以在3D打印机中进行计算。

l  GPU对数字孪生体技术的支持

不仅是处理打印前的数据，在打印过程中，原位过程监控和反馈是一个发展中的领域，主要应用在金属PBF 3D打印技术（粉末床熔化）。随着用户开始期望更多的过程控制，他们需要更复杂的工具。根据3D科学谷的市场观察，当前同时使用反馈系统和结合了模拟软件功能的“前馈”系统正在兴起，例如Ansys和Altair正在研究在构建过程中调整打印参数。将此数据驱动决策与3D打印机中的GPU计算能力相结合，数字孪生体技术使得复杂的3D打印过程变得轻松，从而减少故障，提高零件质量并更智能地使用材料。

l GPU对高通量3D打印文件的支持

随着数据驱动决策的发展，高通量数据的处理变得尤为重要，在这方面，根据3D科学谷的市场观察，美国西海岸的创业公司Dyndrite的用于增材制造的新3D几何内核使用原始的数学表示形式（B样条曲线，NURBS和B-rep数据）来提供更好的增材加工路径。通过不依赖STL这样的数百万个三角形来定义打印，Dyndrite的解决方案避免了“数据膨胀”，并可以提高打印零件的质量。这意味着通过消除需要修理STL的耗散动量的步骤，从而提高了可重复性并提高了生产速度。

Dyndrite的增材制造工具包（AMT）可以导入本地CAD文件以保持零件质量，并简化CAD到打印工作流程。来源：Dyndrite

软件正在吞噬整个世界，Dyndrite的解决方案也是基于GPU的，根据3D科学谷的市场判断，GPU与CPT的应用结合将渗透到从建模仿真到数字孪生体技术，再到过程控制等3D打印工艺链的方方面面，而由GPU这种算力所支撑的人工智能算法将统治3D打印的方方面面。

3D科学谷相信GPU与CPT的应用结合将为3D打印行业带来巨大的新效率和机遇。很快，3D打印行业会发现，一家3D打印企业最好团队中有一些人可以编写代码，否则这样的企业将变得寸步难行。

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继谷.专栏安世亚太仿真专家分享的《上篇-案例展示金属增材制造过程仿真分析-宏观尺度》，本期谷专栏文章进行关于金属增材制造过程微观尺度的仿真分析分享。

 微观尺度增材制造过程仿真分析

微观尺度增材制造过程仿真分析，主要关注熔池特征、微观组织结构特征及详细的温度变化历史特征，通过快速计算不同工艺参数组合下熔池尺寸、未熔合产生的孔隙率以及微观结构晶粒尺寸、取向等来优化工艺参数，最终实现成形材料力学性能的调控。

- 通过熔池尺寸特征优化不同激光功率、扫描速率组合

金属增材制造成形质量很大程度上由微观熔池尺寸特征决定，而激光功率、扫描速率是控制熔池尺寸特征的基本参数，较优的激光功率、扫描速率匹配组合，可以避免匙孔、未熔合、球化等缺陷的产生。ANSYS Additive Science工具可以计算不同激光功率、扫描速率组合下的熔池尺寸，快速找到较优的组合匹配，实现工艺参数的优化。

以某国际知名品牌激光粉末床熔化设备TC4大层厚60µm工艺参数优化为例，计算激光功率300W~450W，扫描速率700mm/s~1600mm/s下熔池尺寸,基于熔池重熔深度达到90µm，深宽比小于0.95，长宽比小于4.2为优化准则，选择最优激光功率、扫描速率组合匹配，图7~9为计算结果，最终优化的最优匹配结果为350W、1300mm/s组合。

图7 不同激光功率、扫描速率熔池重熔深度。来源：安世亚太

图8 不同激光功率、扫描速率熔池深宽比。来源：安世亚太

图9 不同激光功率、扫描速度熔池长宽比。来源：安世亚太

- 分析不同扫描间距下粉末未熔合产生的孔隙率

确定激光功率、扫描速率的较优匹配之后，不同的扫描间距将产生不同的搭接率，较大的扫描间距，可能产生未熔合等材料内部冶金缺陷，较小的扫描间距可能导致搭接率过大，影响成形效率及表面质量。利用ANSYS Additive Science工具计算不同扫描间距下材料未熔合产生的孔隙率，实现激光功率、扫描速率、扫描间距的综合参数优化。

在2.1得到的较优激光功率、扫描速率组合匹配基础上，进一步计算不同扫描间距0.07mm-0.17mm下的材料未熔合孔隙率（如图10所示），以粉末率小于0.005作为优化准则。最终优化结果为，当扫描间距达到0.15mm时，粉末率达到0.0047，因此，优化结果为扫描间距将不能大于0.15mm。

图10 不同扫描间距下粉末未熔合孔隙率。来源：安世亚太

- 分析不同工艺参数下晶粒尺寸、取向特征

材料的微观组织结构特征晶粒尺寸、形状、生长取向等决定了材料的宏观力学性能。金属增材制造过程中，微观组织结构对加工工艺参数具有较高的敏感性，研究工艺参数与微观组织结构特征的定量关系非常重要。ANSYS Additive Science工具可以计算不同工艺参数下晶粒尺寸、生长取向。图11为不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果，材料为高温合金GH4169。

图11 不同冷却速率、扫描旋转角度下晶粒尺寸、取向计算结果。来源：安世亚太

熔池的冷却速率影响微观晶粒组织，从计算结果可以看出，随着冷却速率（主要由激光功率、扫描速度决定）的增加，晶粒尺寸细化，平均粒径大约由45µm细化到15µm，晶粒分布也越均匀。层间旋转角度不仅对晶粒取向影响明显，对晶粒尺寸分布影响也较为显著，67°旋转较79°和180°晶粒尺寸分布更加均匀。此外，从计算结果也可以看出，水平方向上晶粒组织由于散热条件的不同，晶粒生长方向各异，水平方向与垂直方向晶粒组织差异明显。

基于晶粒尺寸定量计算结果，可以进行材料宏观力学性能预测。对于大多数材料，晶粒尺寸可以预测材料的屈服强度，利用Hall-Petch方程：σ0.2=σ0+Ky/d1/2 ,其中 d为晶粒直径，σ0和Ky是材料常数，可以定量计算材料的屈服强度。建立工艺参数与晶粒组织的定量关系，对于精确控制成形材料的组织及力学性能具有重要意义。

-  构件几何尺度的温度历史预测

金属增材制造过程质量监控必不可少，增材制造设备也将更加智能化，温度传感器（实时监测熔池温度）、光敏传感器（实时监测熔池亮度、面积）、智能铺粉、实时成形材料缺陷监测等设备实时监控技术已经成为应用热点。

利用温度传感器可以实时获取熔池表面的温度变化及分布特征，但很难精确描述熔池内部的温度演变历史。利用仿真手段，对构件几何尺度任意区域的详细温度变化历史进行虚拟预测（如图12所示），可以为构件成形精度、内部缺陷、微观组织及力学性能的质量追溯、分析评价提供温度历史数据。

图12 温度历史监测结果。来源：安世亚太

郭鹏伟

安世中德增材应用工程师，目前从事金属增材工艺仿真、增材设计等工作。

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FDM又称熔融沉积成型，是迄今为止最容易获取且使用最广泛的 3D 打印工艺。FDM 3D打印技术根据软件预设的坐标挤出热塑性塑料丝，自下而上逐层构建零件。这种打印技术主要以ABS、尼龙、PC等热塑性线装材料为原料，操作便捷，体积小巧，清洁易用，适合办公室环境；打印出的零件具有很好的耐热性和化学强度；它可以实现传统技术无法制造的复杂几何形状和内腔。

除此之外，FDM 3D打印技术免除了生产过程中繁琐的工序，便于随时更改设计，降低生产成本，极大缩短生产周期。综上考虑，FDM 3D打印技术在众多快速成型技术中有很好的发展前景，故对FDM 3D打印机型的设计研究很有必要。本文将结合某款打印机的待改进机型（重点讨论喷嘴部分），浅谈此技术在机型设计中考虑的问题，以及仿真计算在问题改进过程中所起的作用。

 图片：德迪智能的MOIRA DF3桌面级3D打印机

 仿真缩短研发周期

FDM打印机设计的基本思路是在喷嘴处对打印材料瞬间加热使其软化至粘流态，丝材挤出至底板上后冷却成型，从而打印出零件。所以这个技术难点之一是喷嘴处温度的控制。针对这一设计中常见的问题有:

- 加热片至喷嘴顶端区域由于散热使材料提前凝固造成堵塞。

- 加热片以下区域，由于受热温度升高，使输料管中材料弯软影响挤料。

计算及结果：

针对以上问题，仿真计算可以：

1. 通过对输料管中打印料材温度的初步模拟，判断打印过程中输料管内的料材所处的状态以及喷嘴内温度分布。

2. 对加热和散热结构进行设计和改进来达到对料材状态的控制，例如加热块的温度与尺寸，散热片及风扇的结构等。

下面文章将针对以上两点逐步介绍仿真计算的操作流程及初步结果。此次对喷头的模拟计算选用ANSYS FLUENT１８.２进行计算。首先了解喷嘴的基本结构后，对模型进行前处理网格质量达标后导入FLUENT进行计算。计算中的边界条件设置如下所示：

 图1：边界条件设置示意图，来源：安世亚太。

这里我们重点关注的是输料管中的温度分布，而打印过程中影响其温度分布的有两处流体区域：

- 喷嘴顶端附近风扇形成的强制对流。

- 上部散热结构及风扇附近的强制对流（例如图2中青色与紫色网格区域）。考虑到计算成本和结果精确度，此次仿真重点考虑这两处流体区域对温度分布的影响。

计算对固体与流体的温度场均进行了模拟，固体之间的热传递为热传导模型，以公式∆T=Q/KA计算，其中K为传热系数，数值大小由固体的材料决定，A为接触面积，∆T为接触物体表面温度差。固体与外界空气接触的墙面为自然对流，外部流场温度取用腔体温度。除此之外，喷嘴及散热片附近的流场模拟为强制对流，气体入口为风扇，出口为流体域边界的标准大气压压强出口。流体计算域中的喷头壁面温度与流体域的计算耦合。

图2：网格结构图，来源：安世亚太。

 上文中提到，仿真结果需要体现输料管中的温度分布，故在后处理时对输料管的温度随位置变化的曲线进行展示如下。

图3: 输料管内温度曲线，来源：安世亚太。

结合打印材料的热力学性质可以得出打印料材在管内的各相分布及温度分布，如下图所示。通过调整一系列设计，使输料管内的温度达到预期数值。

图4(左): 输料管内材料状态分析图; 图5 （右）喷头温度分布图, 来源安世亚太。

总结来说，通过与物理实验的结合，仿真计算在FDM机型的设计改进过程中有指导性的作用，它使设计人员更加细致的观察打印机内部的特性变化，从而找到好的解决问题方案。同时，仿真计算避免了真实物理模型的建立，从而利于缩短研发周期。

张亦舒，安世亚太增材设计仿真部流体咨询工程师，美国Colorado State University环境工程学士，环境流体力学硕士。参与国内外多个工程项目，专长紊流仿真模拟，传热分析等。在3D打印机机型方面，对FDM与DMD机型均有仿真计算经验。

文章来源：安世亚太

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