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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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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主题

点阵结构设计与仿真分析

分享嘉宾

逯璐

安世亚太增材设计工程师，专业从事增材先进设计与工艺一体化服务。

本期亮点

宏细观结合的多尺度算法高效实现复杂点阵结构仿真分析

变密度点阵结构优化及仿真分析

来源：安世亚太

在《基于增材制造思维的先进设计》、《增材制造工艺仿真技术与应用》两期微课中，安世亚太分享了面向增材制造的先进设计与制造一体化解决方案。

来源：安世亚太

该解决方案可以分为增材制造先进设计与增材工艺设计与仿真两部分。在增材先进设计阶段，基于增材制造设计的先进理念是指从设计需求出发，按照正向设计的流程，采用拓扑优化完成设计空间的探索，完成概念设计，并基于先进的结构设计技术，如后拓扑结构设计、点阵结构设计等等进行详细的设计定型。然后基于仿真分析对设计方案进行性能验证与分析，或采用参数优化进行设计优化，从而完成设计。

来源：安世亚太

在以上过程中涉及的点阵结构设计与点阵结构仿真分析是本期微课的主要内容。

点阵结构属于多孔介质的一种，密度小、质量轻、效率高，具有良好的比刚度、比强度等力学性能，是一种非常理想的轻质化结构材料。与传统固体结构不同，点阵结构不仅仅是一种轻量化结构，也是一种功能性结构，可以实现如阻尼减震、吸声降噪、缓冲吸能以及隔热隔磁等功能。

然而，点阵结构往往很复杂，传统工艺几乎无法实现复杂点阵结构的制造，随着增材制造技术的快速发展，增材制造可以满足复杂点阵结构的制造要求。

在增材制造应用领域，点阵结构被应用在多种场合，如降低航空航天等领域零件的重量、提高热交换器和散热器的热交换效率、提高阻尼材料的抗震缓冲能力、优化骨科植入物的生物学和力学性能等等，可以说是小点阵、大作用。

由于点阵结构的复杂性、杆件尺寸小、数量多等特点，使点阵结构进行设计、优化并借助仿真验证使其满足使用性能要求成为难点。本期直播微课将围绕点阵结构建模、优化以及如何高效、准确地求解复杂点阵结构的刚度以及强度进行展开，包括：增材制造与点阵结构、点阵结构建模、点阵结构优化、点阵结构分析、案例应用。

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主题

面向增材制造控形与控性的多尺度力学设计

分享嘉宾

李新路

安世亚太增材设计仿真部咨询专家

本期亮点

增材制造设计过程中如何通过仿真手段实现控形和控性多尺度力学设计

来源：安世亚太

增材制造不只是一项工艺或设备，而是一个包括设计-材料-工艺-设备-检测-标准全方位的技术群，先进设计是增材制造发挥作用的源头。

相对于传统制造技术而言，增材制造对设计技术提出了新需求：

控形控性多尺度力学仿真设计技术
拓扑优化设计与仿真技术
创成式设计与仿真技术
轻量化设计与仿真技术
组元点阵结构设计与仿真技术
跨学科多功能融合设计与仿真技术
梯度材料结构设计技术
……

设计是增材制造技术应用的源头，而力学设计是增材设计技术的核心！控形与控性，是增材制造工艺中两个重要考察指标。

来源：安世亚太

宏观控形主要表现在：翘曲变形、部件开裂、刮板碰撞、支撑开裂及飞溅等。微观控性主要表现在：球化、孔隙率、相变、颗粒尺寸、一次和二次枝晶结构和初始位错密度等微观现象。无论是宏观控形还是微观控性，最终都会体现在产品的力学性能中，产品的力学性能是衡量工艺在工业化应用中的重要指标。

来源：安世亚太

实现增材制造的控形与控性，需要材料性能-打印设备—结构设计—打印工艺一体化调控与优化，涉及到微观-细观-宏观多尺度的力学分析。

本期微课主要将分享在增材设计过程中如何通过仿真手段实现控形和控性多尺度力学设计。包括4个板块内容：1.增材制造控形与控性的多尺度力学；2.粉末颗粒结构微观力学设计;3.组元点阵结构细观力学设计；4.部件系统级的宏观力学设计。

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主题

创成式设计方法及应用

分享嘉宾

张效军

北京安世亚太科技股份有限公司

先进设计与制造高级技术专家、创成式设计专家，创新咨询专家。

本期亮点

以全面的视角理解创成式设计；

随形晶格的设计方法、TPMS建模方法、通过受力直接查找优化几何形状的方法、创成式设计如何做系统级正向设计。

来源：安世亚太

创成式设计（Generative Design）也称为“生成式设计”或“衍生式设计”，也有的称其为“算法辅助设计”或“计算性设计”，建筑领域的人们习惯称之为“参数化设计”。这种设计方法在最近的十年中在建筑和视觉艺术领域都得到了广泛应用，近两年此方法已经扩展到产品造型设计应用。

由于创成式设计与计算机技术的深度结合，各大CAD厂商也看到其在产品结构设计方面的潜力，纷纷推出基于拓扑优化算法的零件级别的创成式设计功能，开始了设计过程的数字化转型。但这种转型并不彻底：首先拓扑优化不能支撑产品系统（包括子系统）级别的设计；其次，拓扑优化的前端边界条件的设置以及后端的几何光顺处理等等都还是人机交互式的传统建模方法。

而随着制造技术的进步，特别是增材制造技术的成熟，工程师们需要更加灵活和功能强大的设计方法和工具给他们赋能，帮助他们更好地设计产品以满足用户多种多样的需求，以更快的速度实现设计迭代。

创成式设计能够创造出手动建模所不易获得的设计方案，它们拥有复杂几何结构，而增材制造技术在工业制造中的应用优势之一是制造复杂的结构，可以说创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”，创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。

来源：安世亚太

创成式设计绝不仅仅是拓扑优化，而是一种支撑整个正向设计过程的系统性的数字化方法。通过创成式设计，工程师们能够把各种系统关系直接融合进设计建模过程中来，还可以自主地运用众多的成熟算法，如参数化系统、形状语法、L-系统、元胞自动机、拓扑优化算法、进化系统和遗传算法，各种仿生算法和AI来辅助设计和建模过程，以帮助实现各类设计目标，甚至可以直接与物理世界交互，通过数字孪生模型辅助设计和验证过程。这将是设计范式的变革，这一范式变革通过数字化和模型化，以更少的能量，以信息换能量或信息换物质的方式来减少和消除不确定性，进而大大提升开发效率。

本期微课以较全面的视角对创成式设计做一个综述，并介绍安世亚太提出的创成式设计的方法流程，并通过一些实例展示创成式设计方法在产品设计中的应用潜力。

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重新设计的制动钳所使用的制造工艺为选区激光熔化3D打印技术，增材制造工艺释放了设计自由度，重新设计的制动钳能够在实现减重的基础上集成热交换结构，并且增加压力油路的供油方向。这一设计案例对汽车安全部件设计优化与创新具有一定参考意义，本期3D科学谷将进行分享。

面向增材制造而设计的制动钳。来源：YAMAICHI Additive

 有限空间内实现减重与功能集成

YAMAICHI在重新设计中应用了拓扑优化技术，并在制动钳中集成了面向增材制造的TPMS 结构。此外，YAMAICHI 在设计中添加了优化的压力损失油路。考虑到制动钳在工作时可能遇到砾石撞击之类的环境因素，YAMAICHI 在制动钳下方增加了防止撞击损坏的防护面。

拓扑优化的制动钳。来源：YAMAICHI Additive

TPMS 为三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，该设计显示出高强度重量比。该设计如果与增材制造技术结合使用，将使设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

集成热交换结构的制动钳。来源：YAMAICHI Additive

而根据YAMAICHI披露的设计方案，他们的确设计了一款集成热交换结构的制动钳，热交换结构的作用是在制动周期内对制动钳进行冷却，空气流能够穿过冷却通风口并加快冷却过程。采用这一设计的制动钳比传统设计减轻了40％的重量。

这款制动钳的另外一个设计创新是压力油路。通常，压力油路中只有一个向制动钳活塞供油的方向，但设计优化后，有五个方向向卡钳活塞供油，这一设计有助于在活塞表面上产生更好的压力分布。

拓扑优化和油路优化的设计结果。来源：YAMAICHI Additive

YAMAICHI 团队在进行制动钳优化时，所面向的制造工艺是基于粉末床激光熔化的增材制造工艺，材料为AlSi10Mg。

 3D科学谷Review

金属3D打印技术多被应用于制造复杂的结构件，但用于制造制动钳这样的安全件是存在质疑的领域。然而，跑车制造商布加迪与其合作伙伴为Chiron跑车开发的3D打印钛合金制动钳，对这些质疑做了有力的回应。

《金属3D打印的工业化之路》微课

在《金属3D打印的工业化之路》微课中, SLM Solutions 亚太区总经理马建立分享了这一3D打印钛合金制动钳应用案例，设计开发时所存在的挑战，以及最终获得的结果。

Chiron是目前最强力，最快的超级跑车之一，具有出色的加速性能，从0 加速到375 km/h，减速至80 km/h要求不超过42秒，而出色的性能对轻量化和强劲的发动机提出了极高要求，也对刹车系统的性能提出更高要求。

布加迪与其合作伙伴开发的3D打印钛合金制动钳，在减重、性能、强度上实现了很好的结合。3D打印钛合金制动钳，长41厘米，宽21厘米，高13.6厘米，重量只有2.9公斤。与之前使用的重量为4.9公斤的铝制部件相比，布加迪可以通过使用新的钛合金部件确保更高的强度，并且使制动卡钳的重量减轻约40％。

布加迪3D打印制动钳极限测试

布加迪已对这一3D打印的新型八活塞整体式制动钳进行了性能测试。3D打印钛合金制动钳能够以375 km / h的速度应对极强度、刚度和温度要求，制动力为1.35g，制动盘温度高达1,100°C。3D打印制动钳的抗拉强度为1250 N / mm2，材料密度超过99.7％。性能测试更是进一步揭示了这一创新的产业化前景。

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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。

l 关于正向设计与仿真知识的在线学习，请点击3D科学谷微信公众号下方菜单栏互动学习中CAX在线教育，或直接登录仿真秀（fangzhenxiuxiu.com）在线学习平台。

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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