增材制造仿真的专业公司3DSIM已经与Sigma Labs合作开发了一个名为FLEX™软件，该软件模拟热传感器对金属增材制造工艺的响应，提前避免可能发生的错误，FLEX™全部商业版本计划于2018年初发布。

FLEX™是增材制造数字线程中的关键部分，FLEX™用户可以运行一个模拟软件，预测他们3D打印设备中的高速非接触式高温计将“看到”什么，就像二维打印文字处理软件的“打印预览”功能一样。

3D科学谷认为仿真软件3DSIM的软件设计基础是通过对超过1000种不同的材料组合性能特点的了解，了解材料的组合对零件哪些方面有较大的影响，从而得到一些有趣的结果，来帮助确定材料特性和熔池宽度以及深度之间的关系，通过精确地模拟熔池宽度和深度，可以直接预测零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。

一旦零件的几何形状被建模，仿真软件可以用来预测有代表性的激光扫描路径。模拟得到激光及其与材料的相互作用模型。该模型提供了材料在激光作用下从粉末变成液态再到凝固的科学描绘，模型模拟了粉末在粉末床上被加热、能量的爆破、熔化和快速冷却凝固过程，每一层的构建由此类推。

一旦建立层的扫描策略，模拟仿真可以提供该层准确的温度历史，这种历史可以用来预测材料的晶体结构、孔隙度、变形和残余应力。仿真数据基于设备和材料的物理因素，包括粉末材料的堆积密度，激光能量吸收特性和热传导率。

通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

而Sigma Labs的核心实力在于感应器硬件与数据和软件的融合。

硬件方面，Sigma Labs传感技术－Sensorpak，是一个由声、光、热传感器、收集过程数据的全套系统。传感器记录的数据将建立过程文件，其中西格玛实验室工程师通过在洛斯阿拉莫斯国家实验室多年来在冶金和焊接的研究经验，能够从大数据中提取关键的质量记录，并通过结果特征还原关键过程的物理特征。

由于硬件记录和积累了大量的数据，从而Sigma Labs由过程测量发展到过程控制，工艺参数存储会作为微观层面的设置跟结果做匹配。从工艺参数创建与质量的相关性。如果预定的规则都不符合，打印过程中断和信号激活的过程中，参数检测以及纠正执行偏差。在这种方式下，就需要防止出现有缺陷的熔池。这种过程控制被称为过程质量保证，是西格玛实验室独特的（iPQA™）技术。此外，过程质量度量（iPQM™）包括质量保证，这样可以提高生产效率，并实现制造业务精益战略。

于是，Sigma Labs顺势将其软件商业化。Sigma Labs在2015年推出Sigma Labs用于粉末床金属打印过程控制软件DEFORM™。DEFORM™是一个独特的工具，与其INSPECT™ 形成完整的过程控制补充。其专有的、在线算法可以生成每一层建设过程中的几何特性数据。Sigma Labs的技术提供实时、逐层分析，以确保符合生产规格的要求。

软件的工作原理与3D打印机工作的步骤吻合。拿Sigma Labs的质量控制过程来说，在构建过程中，产品按照垂直方向从底部到顶部被打印出来（Z方向）。每完成一个打印过程，Sigma Labs的PrintRite3D® CONTOUR™系统都会拍照。当整个产品被打印完成时，该系统将拍摄与建模过程对应的每一层的数字图像。通过系统记录的每一层的图片，计算机将图片与设计模型的切片相对比。

当然，由于硬件可以达到非常细腻的观测记录水平，从而使得软件功能更加强大，Sigma Labs的PrintRite3D ® INSPECT™软件利用高温计和光电二极管检测熔池温度，记录了其中三个过程变量：1）金属粉末融化时温度的“增加率”；2）熔池停留在最高温度多“长”时间；3）熔池冷却的“速率”。通过捕获这三个变量，该系统产生熔池的“电子签名数据”，从而在每一层的X,Y,Z三维方向上记录了零件的微观结构。

在加工中的质量管理方面，通过PrintRite3D ® INSPECT ™软件，基于大量的生产大数据所形成的加工参数与产品性能之间的相关性，获取符合生产要求的零件所对应的加工参数作为“基准数据”。除非与零件的机械和冶金特性数据具有相关性，否则该加工参数的值几乎没有任何意义。这意味着首先必须产生大量的测试样本来生成这个属性数据，并将属性数据关联到加工参数的“电子签名数据”。从而在新的加工过程中将每一层的“电子签名数据”与“基准数据”相对比。

可以说3DSIM和Sigma Labs的共同点都在于针对增材制造，都具备大数据的分析处理能力，而3DSIM专注于仿真，Sigma Labs则在硬件方面实力突出，所以二者的合作将进一步打通通过仿真软件对实时加工状况的预测和理解，让熔池中粉末将要发生的行为变得更加未仆先知。

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仿真可以帮助到这一点，仿真可以证明和模拟金属激光融化的过程与价值。不仅包括帮助减少失败，还可以提高零件质量，而且有助于缩短制造商的学习曲线。

你知道么？本来你无需交那么昂贵的学费…”

很多制造商不清楚如何考虑材料的特性，以及这些特征如何影响最终产品或其加工性能。大多数时候能够获得满意的打印结果，基于制造商不断尝试，不断“交学费”的结果。

仿真，涉及到粉末材料在激光烧结过程中的行为预测，以及不同的材料性能对产品的影响。

当然，除了材料的特性，当前不同的增材制造设备其细节上的工艺也有不少差异，建模和仿真的挑战是捕捉来自特定制造商的独特性。从质量和认证的角度来看，仿真软件需要配合不同的设备基于物理的可量化的机器参数，建立数据档案。其他的因素，包括粉末后处理变异影响增材制造结果的性能亦需要考虑进来。

这带来了仿真的复杂性。相对来说实现增材制造建模需要达到的几何形状是比较简单的，难度在于实现那些尤其是航空航天领域非常严格的性能标准，包括强度和疲劳性能。

仿真软件自身也需要不断地优化，这需要联合整个增材制造生态系统，仿真软件需要与机器制造商合作，以获得设备的物理参数权利；需要与材料供应商合作，以保证材料科学指标是正确的；需要与测试专家合作，以确保正在测试的零件是正确的；需要和与用户合作，以确保得到更多的预测结果与实际效果之间匹配的权利。根据所有的材料、设备和产品的关键信息，预测如何改变材料，机器和建模。仿真最终的目标是为了使人们不需要交“学费”，将设备当成试验品，仿真的目的是不浪费时间和金钱，避免错误发生。

仿真, 是个大数据的活

拿增材制造仿真软件3DSIM来说，软件需要预测在粉末的特性对产品性能的影响，并确定哪些零件需要严格控制粉末以达到最高性能。严格的规格要求更精确的材料测试，这增加了制造商的成本，越严格的要求对应着越昂贵的测试成本，通过仿真对材料属性在增材制造过程中发挥的作用，减少昂贵材料的浪费，以及避免试验不通过的材料情况发生。

一旦零件的几何形状被建模，仿真软件可以用来预测有代表性的激光扫描路径。模拟得到激光及其与材料的相互作用模型。该模型提供了材料在激光作用下从粉末变成液态再到凝固的科学描绘，模型模拟了粉末在粉末床上被加热、能量的爆破、熔化和快速冷却凝固过程，每一层的构建由此类推。

一旦建立层的扫描策略，模拟仿真可以提供该层准确的温度历史，这种历史可以用来预测材料的晶体结构、孔隙度、变形和残余应力。仿真数据基于设备和材料的物理因素，包括粉末材料的堆积密度，激光能量吸收特性和热传导率。

通过仿真可以调整工艺参数，以及更换新的粉末，通过软件确定扫描策略以及选择粉末。模拟软件将预测这些改变对零件性能的影响。

图片：两种不同加工参数下的温度轮廓

拿3DSIM来说，软件设计基础是通过对超过1000种不同的材料组合性能特点的了解，了解材料的组合对零件哪些方面有较大的影响，从而得到一些有趣的结果，来帮助确定材料特性和熔池宽度以及深度之间的关系，通过精确地模拟熔池宽度和深度，可以直接预测零件的表面粗糙度、精度和孔隙率。

图片：仿真显示不同的激光扫描方向带来的不同的表面粗糙度结果

其中一个难点是不同材料如何吸收激光能量，这之间的区别是什么样的。很多人都知道这个属性是很重要的，但是要通过开发新的实验来准确而快速地测量这个属性是很难的，这是体现仿真软件可靠性的一个衡量因素。

仿真需要考虑材料的熔化和凝固点。通常情况下，当用户购买粉末的时候，并不注意粉末熔化温度有多快。通常只考虑大小、形状、粒度分布、化学特征。

Supercooling-超冷（或极速冷却），是很少讨论的话题。但是，在增材制造过程中，冷却实际上发生的非常快，通常在超高速（几微秒）的情况下，熔体温度就降低几百度从而凝固。如果温度没有达到，材料实际还是软的，因为凝固不充分。所以仿真不仅仅需要考虑熔点，还需要考虑凝固点。如果没有考虑凝固点，在凝固不充分的情况下，仿真结果的真实性往往会偏离40％。

图片：通过仿真来确定支撑结构

总体来说，专门针对于增材制造的仿真软件是个新领域，在这种方式中，仿真将是管理预期的一种手段，在上机之前告诉制造商什么是可以做的，包括支撑结构的设置，怎样做是优化的结果。可以说，仿真产生的洞察和理解，减少了制造商的痛苦和不可预知的故障。

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