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。本期，3D科学谷与谷友通过创成式设计的一些案例，来领略创成式Generative时代的到来！本期Highlight的软件工具是欧特克-Autodesk 的 Fusion 360 Generative Design Extension创成式设计软件。

根据3D科学谷，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。

创成式设计
© 3D科学谷白皮书

 更可持续

欧特克-Autodesk 的 Fusion 360 Generative Design Extension创成式设计作为Fusion 360 CAD 软件的可选扩展提供，迅速成为产品设计师和工程师的熟悉的创成式设计解决方案，可根据制造约束、成本和需求同时生成多个解决方案，从而实现快速设计探索， 满足产品性能要求。 一个经典的案例是创成式设计的太空着陆器。

Autodesk 的Fusion 360 Generative Design Extension 使用户能够选择和比较零件的制造方法（CNC 加工、压铸、3D 打印等），并查看每种方法适用于零件加工方法的限制条件。

通过软件，用户还可以优先考虑轻量化、零件整合和材料探索等属性，以找到可能满足需求的更具可持续性的材料。Fusion 360 Generative Design Extension还具有成本比较功能，以发现制造成本节约的零件设计。

©Autodesk

将创成式设计与制造无缝结合，此前，欧特克就发布了创成式设计的2.5轴*版本，主要用于生成突破铣削约束的设计。这使得Fusion 360用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合。

 内置的设计可制造性

通过Autodesk Fusion 360提供的创成式设计功能，设计可制造性是内置的。增材制造和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，欧特克创成式设计的2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以随意使用这种“折衷”的设计来进行加工。

除了可以直接访问Fusion 360基于云的创成式设计，高级仿真模拟和高级CAM功能外，欧特克Fusion 360集成工作区现在还提供真正的混合制造体验，在单一工作流程中结合了先进的增材制造和CAM功能。

©Autodesk

根据3D科学谷，在 Autodesk Fusion 360 的案例中，创成式设计的想法受到仿生学中自下而上的方法的启发。令人着迷的是，有一个算法来自“白蚁巢穴，以及白蚁使用信息素相互发送信号的方式，开发人员创造了压力或信息素梯度，核心方法非常简单，但结果却很复杂。

2022 年，Autodesk 发布了新版本的Fusion 360创成式设计软件，自动建模工具可让用户快速创建和考虑多个设计备选方案。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）。

Edera Safety 使用 Fusion 360 创成式设计来探索运动员背部保护系统的设计

©Autodesk

一个令人印象深刻的案例是Edera Safety 采用数据驱动设计，为运动员创造了革命性的新型背部保护系统。脊柱的过度旋转已被证明是脊柱受伤的主要原因，但大多数背部保护器的设计只是为了防止直接撞击。 通过欧特克创成式设计技术开发旋转脊柱保护 (RSP) 系统，帮助防止脊柱旋转损伤。 开发原型后，设计团队将其投入使用，集成传感器和应用程序来测量和记录所有相关力。 随后，这些测量结果被输入到创成式设计算法中。 通过使用创成式设计技术，该团队能够提出多种设计方案来在开发的早期阶段测试原型，并创建一个可以轻松实施到制造过程中的产品设计。

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创成式设计的座椅
© Autodesk

设计重新定义制造

 创成式带来的新世界

仿生学不是复制自然形状，而是复制自然解决问题的方法。仿生学和创成式设计之间的真正联系是一些软件如何利用自然界中发现的逻辑来获得其中算法的奥秘。Autodesk Fusion 360内置的 Project Dreamcatcher是目前创成式设计软件的一个典型代表。

创成式设计优化航空航天零件
© Autodesk

在 Autodesk Fusion 360 的案例中，创成式设计的想法受到仿生学中自下而上的方法的启发。令人着迷的是，有一个算法来自“白蚁巢穴，以及白蚁使用信息素相互发送信号的方式，开发人员创造了压力或信息素梯度，核心方法非常简单，但结果却很复杂。

有了这种受自然启发的逻辑作为其创成算法的核心，创成设计程序必然会不时创成有机形状，以不对称和复杂的表面为标志。但目前的制造方法无法与大自然所创造的奇迹相媲美，这使得创成式设计软件本身还有着很多进化的空间。

创成式设计
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譬如大自然中的人体，人体是单一的组件来促进流体流动和交互结果，而这在航空航天领域也有类似的活动。那么未来或许创成式设计还可以进化到如何结合流体流动和结构功能，虽然这在创成式设计中目前还不是主流。

欧特克的开发团队已经在研究框架创成系统，这些系统可能在未来用于商业发布。那么创成式设计对制造所带来的范式改变，最突出的有哪几点呢？

I 制造感知技术

Fusion 360 中的创成式设计包括制造感知技术，这意味着它可以生成多个受可用设计约束影响的设计选项。此外，减材和增材制造技术可帮助用户了解设计的可能性。创成式设计还可以通过创建人类无法想象的可加工几何形状来提高生产力。

将创成式设计与制造无缝结合，例如此前欧特克就发布了创成式设计的2.5轴*版本，主要用于生成突破铣削约束的设计。这使得Fusion 360用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合。

通过Autodesk Fusion 360提供的创成式设计功能，设计和可制造性都是内置的。增材制造和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，欧特克关于创成式设计的2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以随意使用这种“折衷”的设计来进行加工。

除了可以直接访问Fusion 360基于云的创成式设计，高级仿真模拟和高级CAM功能外，欧特克Fusion 360集成工作区现在还提供真正的混合制造体验，在单一工作流程中结合了先进的增材制造和CAM功能。

I 并行工程支持

创成式设计技术使工程团队能够与制造团队合作，根据材料、制造方法和成本限制等参数开发出现实的结果。需要在制造过程的早期跨团队达成共识，从而增强和简化工作流程。

1988年美国国家防御分析研究所(IDA—Institute of Defense Analyze)完整地提出了并行工程(CE—Concurrent Engineering)的概念，即“并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。

欧特克Fusion 360提供一站式的3D打印与铸造成本比较
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并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术。它要求产品开发人员从设计开始就考虑产品寿命周期的全过程，不仅要考虑产品的各项性能，如质量、成本和用户要求，还应考虑与产品有关的各工艺过程的质量及服务的质量。它通过提高设计质量来缩短设计周期，通过优化生产过程来提高生产效率，通过降低产品整个寿命周期的消耗，如产品生产过程中原材料消耗、工时消耗等，以降低生产成本。

I 人工智能 (AI) 作为制造合作伙伴

创成式设计是人工智能 (AI) 的一种形式，可以为零件以及模具设计提供大量可用于制造的解决方案，甚至可能是开发过程的自动化。有远见的公司使用创成式设计作为制造合作伙伴来帮助弥合技能差距。

人工智能+3D打印
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在设计航空航天或汽车部件时，此前人类可能从未想过向蚂蚁和寻光植物细胞寻求建议，但如果使用创成式设计软件来塑造零件的设计，不过这一切已经不是梦想，实际上已经在做了。

此前，空客已投产的仿生学机舱隔离结构就来源于创成式设计结果。该结构是采用高强度轻质铝合金材料与粉末床激光熔化3D打印技术制造的，用于空客A320机舱中，起到分隔客舱与后部食品准备区的作用。

I  集中数据

集中数据意味着工程和制造部门可以一起处理相同的数据。例如，程序员可以与操作员共享设置表，操作员可以更新云工具库，设计人员可以将设计更改发送给程序员。因此，集中的数据和功能可以随时随地为用户解锁高级工具。

根据3D科学谷的观察，不仅仅工程和制造部门可以一起处理相同的数据。在设计的前端数据的集中也使得建模与仿真过程融为一体。

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，共同推动零件的性能升级。

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。

未来，工程团队与工程团队之间，工程团队与制造团队之间，将更紧密的协作。

I 高附加值的职业技能

随着云计算、人工智能、自动化、增材制造等方面的进步，设计师和工程师设计和制造产品的方式正在发生变化。为了获得有竞争力的职业优势，人大脑的艺术感知能力与人工智能相结合将诞生出新的技能。

使用算法驱动的软件进行设计的好处在于，设计开发人员可以通过所有相关换热器设计的更高层次的思维专注于实现目标，而不会因为确认一个特定设计中的细节而耗费精力。

点阵建模软件
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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”。

根据3D科学谷的市场判断，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，仿真与算法将赋能3D打印的方方面面。很快，3D打印行业会发现，一家3D打印企业需要有人精通仿真软件的应用，需要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。

I  降低商品销售成本

创成式设计过程在生产过程的早期探索制造就绪的结果，减少材料成本和进行模具设计更改所花费的时间，以便用户可以更快地进入市场。此外，创成式设计产生的结果通常会最大限度地减少质量和材料的使用，整合零件并提高产品的耐用性。事半功倍，通过提高投资回报率获得竞争优势。

实现更少的零件
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I 增材制造

迄今为止，由于材料成本、大批量零件运行要求、速度、可重复性等问题，增材制造的应用一直很缓慢。更不用说，与创新相比，现有供应商花费了更多的时间和金钱来保护他们的专利。

创成式设计的车架
© Autodesk

增材制造所节约的时间和成本将使得这项技术不仅可行而且是必需的。借助 Fusion 360 和创成式设计，有远见的公司有机会同时考虑减材 (CAM) 和增材结果，否则就会被甩在后面。

I  Re-Shore 制造专业知识

供应链问题在当今世界中占据主导地位，Fusion 360 中的加工和创成式设计提供了一个新的机会，可以将制造专业知识带回生产制造产品的国家。创成式设计不会取代制造的位置，而是让制造者成为更有价值、更高效、更优秀的工程师——无论是现在还是未来。

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一边是3D打印行业的需求发展使得设计与仿真走向一体化结合，一边是软件巨头推出的整合措施使得更先进的软件集合作为一站式解决方案为用户提供从设计到验证的便捷性。

有问题的文件已进行补偿，以确保正确打印©Autodesk

搭建仿真快速通道

 建模与仿真一体化结合趋势

市场上Autodesk-欧特克旨在通过Fusion 360 Extension使3D打印仿真普及化，以便设计软件自动执行以前需要动手实践的任务。

3D科学谷先通过如何防止金属3D打印中的构建失败来分析Fusion 360 Extension的便捷性。金属粉末床熔化（PBF）系统构建腔中的每个变量都会影响零件的质量：组件的构建方向，支撑结构的放置，扫描策略，激光光斑大小、气流和更多其他因素。如果可以准确地模拟构建过程，并且可以解决诸如热应力和变形之类的潜在问题，那么就可以避免反复试验，并在第一时间就生产出正确的零件。

因此，ANSYS，Hexagon，VELO3D等正在开发用于金属3D打印的仿真软件。Autodesk也于2016年收购Netfabb解决了仿真问题。现在， Autodesk已开始将Netfabb的一些高级仿真工具移植到Fusion 360 Extension中。

Autodesk在2009年收购ALGOR，带来了许多有限元分析（FEA）专家。随着收购Netfabb，这方面的仿真专业团队也在不断改进Netfabb Local Simulation的仿真功能，基于仿真方面的进展，Autodesk开始着手将Fusion 360变成一个具有凝聚力的建模平台，该平台不仅负责生产的设计部分，还负责实际的制造任务。现在，通过各种扩展，Fusion 360可以生成用于CAM和3D打印的策略，从而可以在单个界面内完成从设计到生产的过程。

 像单击软件按钮一样容易

现在，Fusion 360变成一个具有凝聚力的建模平台，该平台不仅负责生产的设计部分，还负责实际的制造任务这种集成逐渐扩展到包括仿真。目前，Fusion 360的Additive Simulation Extension可以模拟PBF-基于粉末床的激光熔化金属3D打印技术。访问扩展程序就像单击软件中的几个按钮一样容易。

设计完成后，用户可以从Fusion 360菜单中选择要制造零件的方式，选择增材制造，想要使用的金属，确定零件的方向并添加支撑结构。从那时起，用户可以对文件进行切片并为激光生成一个加工路径并进行3D打印，也可以模拟3D打印过程以查看是否成功。

该软件与Netfabb Local Simulation在相同的求解器和引擎上运行，Netfabb Local Simulation是对打印区域的有限元分析的多尺度热机械建模方法。分析整个建筑物的整个激光路径可能要花费数千年，而该软件模拟了一个1 mm x 1 mm的区域，并在整个打印过程中按比例放大，以估计物体将如何变形以及应力如何形成。

如果由于变形，重涂机刀片干扰或支撑结构有问题而无法生产出合格零件，仿真可以解决这些问题。也就是说，这是Fusion 360当前可以通过“添加模拟扩展”检测到的三个问题。目前，该软件可以补偿零件中可能发生的变形。下一步，Fusion 360中将集成Netfabb的更多功能，例如支撑和构建方向优化。

 支持线上教育

卡内基梅隆大学机械工程学院曾指出仿真不仅对金属3D打印成果的成功越来越重要，而且还有助于对工程专业学生进行金属3D打印教育。

很多制造业的教育机构都在COVID疫情期间快速实现了线上教学。不过如何在虚拟环境中进行3D打印教育？模拟是第一件事，在这方面，Fusion 360易于教育。3D科学谷了解到随着Additive Simulation Extension的发布，教育行业可以挑选所需的软件组合，并获得Fusion 360所有开箱即用的便捷性。

 提升可访问性

现在已经解决了基于粉末床的选区金属熔化3D打印仿真，欧特克团队计划解决的下一个仿真过程是定向能量沉积。目前，模拟还不能在云中运行，并且通常需要与FEA相同的计算能力匹配，这意味着如果要快速运行这些模拟，可能需要大量的RAM存储容量。但是，欧特克计划是当该软件准备好从技术开发过渡到商业发布时，有望在2021年在云中运行该仿真工具。

仿真最重要的一个方面是可访问性，这就是为什么云驱动的仿真将成为关键的原因。

归根结底，在金属3D打印机上打印东西的用户应该能够进行快速检查，而无需获得博士学位，在这方面，3D科学谷了解到欧特克Fusion 360在打印设置上点击“模拟”即可进行虚拟打印检查。

更多信息请参考3D科学谷发布过的《微课 l 点阵结构设计与仿真分析》，《金属增材制造的微观结构演化建模与仿真》

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对于3D打印这一数字化特征尤为明显的制造技术，软件可以说是解锁3D打印产业化潜力的基础。本期，结合Digital Alloys公司总结的软件信息，3D科学谷与谷友一起来领略那些影响3D打印的软件。

3D打印领域的软件。来源：Digital Alloys

 软件与数据相互进化

在生产环境中为了有效实施3D打印，需要用于设计、仿真、预处理、任务分配、制造、检查和质量管理的软件工具。

l 设计（CAD）

工程师和设计师使用计算机辅助设计（CAD）软件以数字方式定义零件的三维几何形状。在大多数情况下，用于设计3D打印零件的CAD软件与常规制造所使用的软件相同。CAD软件的公司包括Dassault Systemes-达索系统，Siemens-西门子，PTC和Autodesk-欧特克等。对于某些应用，使用针对增材制造的特点进行优化的表面和结构，这优化的方式包括填充复杂的胞元结构，空心特征和添加数字纹理等。在这方面诞生了一些针对性很强的软件包括欧特克的netfabb, Materialise，nTopology和Zverse等。

乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感，比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感….这样的例子在工业领域还有很多很多。

那么，为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢？大自然创造的生物结构巧妙而复杂，人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢？

日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。市场上存在一类特殊的设计软件，称为“创成式设计”以及“拓扑优化”（GD / TO）软件，可定义加载方案，设定边界条件和设计约束条件下优化零件几何形状，以实现所需的性能。该软件依靠计算机迭代与仿真来完善零件的几何形状，将CAD设计规则与来自计算机辅助工程（CAE）工具的仿真相结合。

创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。

例如，人体骨骼具有复杂的内部和外部特征，由硬质外皮（骨皮质）骨形成刚性外层，但还需要允许血管这样脆弱的组织穿过骨骼内部的蜂窝状结构。这种蜂窝材料由胶原纤维组成，具有令人难以置信的抗拉强度和抗压强度。因此，蜂窝结构已经被大量需要轻量化的结构所采用，从飞机涡轮叶片到生活中不起眼的纸板箱中。在所有这些应用中，蜂窝使得零件更坚固和更轻。

创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过”创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

“创成式设计”以及“拓扑优化”GD / TO软件的领先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西门子的Solid Edge ST10和Paramatters等。

l 模拟（CAE）

产品上市时间的缩短、研发周期的缩短，以及新产品发布速度的提升使制造业用户面临着持续增长的创新压力，当今产品的复杂性和多样性也在日益提高，这给产品研发带来了压力。

通过传统试错的方法，已经无法在今天的全球竞争中保持领先的地位，因为这种方式费力、费时并且昂贵，而通过计算机辅助工程（CAE）仿真的力量驱动设计、管理复杂性、预测潜在的问题，已成为产品设计、生产过程，甚至是产品运营过程中不可或缺的环节。

根据安世中德工程仿真高级咨询专家的寇晓东博士，一方面增材制造为设计带来的自由度，将仿真的应用提到了产品设计的前端，从设计最早期就发现并解决设计缺陷，增材制造为正向设计提供了工艺基础；另一方面仿真技术能够激发增材制造的潜能。

在3D打印的情况下，CAE不仅用于优化设计，而且还用于预测制造过程、优化制造过程和开发新材料。由于3D打印涉及的物理复杂问题，CAE软件可以帮助缓解质量问题的许多潜在原因。根据安世中德的技术总经理包刚强，增材制造仿真的应用价值体现在改善、减少和开发几个方面。改善，包括改善金属增材制造设计流程、对工艺过程的了解、机器生产效率、材料利用率、可重复性和质量；减少，包括减少打印失败，打印时间，不合格零件，后处理，试错，设备维护和对环境的影响；开发，包括开发新材料，新机器，新参数，个性化微观结构和期望的材料属性。

可以说仿真对于3D打印至关重要，渗透到从建模到前馈控制，再到过程控制、材料开发等3D打印工艺链的方方面面。

CAE的子类包括分析结构和热行为的有限元分析（FEA），以及用于分析流体流动的计算流体动力学（CFD）。FEA和CFD在建模和优化AM过程中都至关重要。

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，共同推动零件实现性能升级。

除了用于改善整体打印质量外，CAE工具在帮助优化诸如打印速度以及能量和材料输入等参数方面也起着重要作用，这些参数是3D打印经济学中的重要因素。CAD和CAE的结合变得越来越紧密无缝，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  制造处理（CAM）

计算机辅助制造（CAM）是使用软件来控制诸如机床之类的制造设备。CAM软件将CAD和CAE数据作为输入，并创建机器指令（G代码），该指令通过编程以执行精确的加工过程。在3D打印领域，CAM过程涉及五个关键步骤：

确定零件构建方向：在零件中确定零件方向的最佳方法取决于多种因素，例如精度和表面光洁度要求、工艺、支撑结构等。CAM可以建议最佳构建方向，但通常也需要用户输入。

支撑策略：支持零件有很多不同的方法，最佳的支撑结构取决于其几何形状，过程，材料和其他变量。在大多数CAM软件中，此步骤在很大程度上是自动化的。

加工余量：为了达到所需要的高表面光洁度和精度要求，通常需要预留一定的加工余量。这些余量通过机加工等后加工过程被去除。

零件布局：某些3D打印过程可以一次打印很多零件，分布在整个基板上，也可以堆叠在z轴上。CAM软件有助于嵌套零件，从而使每次构建的零件数量最大化。

加工策略：完成上述所有步骤并选择了打印参数后，CAM软件将生成G代码，该代码将发送至打印机以执行打印过程。

目前更高级的工业增材制造用户通常利用第三方处理工具来获得更多控制和效率。这种独立的CAM软件可以在处理计算要求高、复杂、高分辨率的构建中发挥作用。还允许将一个API与一组不同的3D打印设备一起使用。这些软件包括Netfab（Autodesk），Magics（Materialise）和Dyndrite。

其中，来自西海岸的创业公司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。

l 工作流程（MES / ERP / PLM）

制造工作流程软件已在常规供应链中使用了数十年。该软件的类别包括制造执行系统（MES），企业资源计划（ERP）和产品生命周期管理（PLM）。

走进任何3D打印公司，您将发现同样的挑战：很多企业还在使用Excel表格管理整个制造过程，那些包含关键数据的Excel电子表格被存储在各个团队成员系统的本地硬盘上。唯一集成到业务的其余部分是公司服务器上的文件共享。虽然很多企业正在使用企业资源规划（ERP）系统，为公司的每个部门提供可视性，但ERP却是“跳过”车间加工环节的。

然而，随着3D打印成为制造领域不可或缺的一部分，Excel电子表格的方法很快变得难以为继。乍一看3D打印似乎只是一个步骤，但是加工中的“黑匣子过程”实际上充满了离散的操作和数据收集机会，包括打印准备，构建模拟，实时监控和分析，跨机器衔接以及设施的调度，后处理要求等等。

虽然3D打印工艺有着其特定的需求和具体的挑战，但是如果用户真的愿意接受3D打印作为一种制造技术，它就不能作为一个孤立的孤岛来运作。

正如3D科学谷在《一张图看懂国际3D打印产业链》中所提到的，在过去几年中，随着3D打印技术走向工业生产，除了设计软件和仿真软件之外，与3D打印相关的软件中出现了两个关键的新类别：工作流程和安全软件。工作流程软件对增材制造工艺来说同样重要。制造企业在将增材制造技术纳入生产的过程中，对工作流程软件的需求将不断增加，这类软件可以管理增材制造过程中所涉及的生产步骤。工作流软件的前景在过去五年中不断发展，现在许多软件供应商都提供了管理增材制造工作流的解决方案。

Materialise、AMFG、3YourMind、Authentise、Link3D、Oqton和其他软件提供商正在通过重新定义传统MES来支持管理3D打印工作流程各个方面的软件产品来满足3D打印的自动化管理需求。

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可在城市道路上行驶的轻型赛车BAC Mono。来源：Autodesk

 个性化与轻量化

BAC Mono是一款轻型赛车，由于能够满足对行人和安全保护的法律要求，也可以在城市街道上行驶。BAC Mono 配有4缸2.3升涡轮增压发动机，可提供332马力的动力，虽然马力并不是特别强大，但受益于轻盈的车身重量，仅需2.6秒即可将速度从零加到60英里/小时，最大速度达170英里/小时。

每辆BAC Mono的成本25万美元，而由于成本高、制造数量少，3D打印技术成为部分零部件制造的合理方式。新型BAC Mono约有40个部件是3D打印技术制造的，包括前灯、后视镜、后灯罩等。

BAC Mono的制造商属于专门从事定制车辆的小型汽车制造企业，有的零件每年仅需要生产30-50个，并且车辆中还有一些零部件是为客户专属定制的，例如方向盘、脚踏板等。而3D打印技术为这种小批量或高端定制的需求，提供了一种经济、快速的制造方式。

除此之外，创成式设计技术使得零部件实现个性化定制设计变得更加容易，创成式设计与3D打印可以相互增强，两种技术的结合，将能够制造出比传统设计更为复杂的零部件。

不过有意思的是，通常那些通过创成式设计自动生成的“惊艳”设计作品，其复杂形状几乎只有对复杂性不敏感的3D打印技术才能制造出来，但在BAC Mono 汽车零部件的设计中，设计师们考虑了制造的经济性，因此通过该技术设计了可机械加工的零部件，例如汽车轮毂。在设计中使用的软件为Autodesk Fusion 360。

创成式设计生成的轻量化轮毂，加工方式：机械加工。来源：Autodesk

BAC Mono的轮毂属于需要批量生产的产品，因此采用更成熟的传统工艺，可带来成本上的优势。设计师设计时施加了限制条件，得到了适合5轴CNC铣床加工的轮毂，但是创成式设计生成的铝合金轮毂，比标准轮毂的重量减轻了35％，每个轮毂仅2.2公斤。

BAC 希望通过创成式设计技术，在汽车零部件轻量化设计方面做出更多创新，下一步的实现方向是悬架系统和底盘部件，但并未透露是否将3D打印作为这些零部件的制造技术。

 3D科学谷Review

BAC 联合创始人兼设计总监伊恩·布里格斯（Ian Briggs）表示，如果不给创成式设计任何限制条件，那么最终只能得到适合3D打印制造的结构。但考虑到制造的经济性，创成式设计生成的设计结果就需要向适合传统制造技术的方向进行折衷。

在本文的案例中，BAC MONO 的轮毂是通过创成式设计生成并通过传统机械加工技术制造的。然而即使是3D打印的零部件，一旦放到整个制造工艺中进行全盘考量，也需要在最初设计时就考虑到打印之后的后处理工艺，尤其当金属3D打印零件还需要进行机械加工时，3D打印技术与传统制造技术的衔接与设计折衷，是一个无法避免的话题。

针对这个问题，欧特克已发布的Fusion 360 软件2.5轴*版本提供了一种解决方案，该软件主要用于生成突破铣削约束的3D打印设计，使用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合，这些设计打破了我们对创成式设计所熟悉的“仿生学外形”，而是外形上看上去更接近传统的设计。

增材制造-3D打印和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，而2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以使用这种“折衷”的设计来进行加工。在3D科学谷看来，这种方式，以智能化的设计手段，打通了3D打印技术与后续机械加工工艺衔接的“最后一公里” 。

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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-3D打印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。

谷.专栏文章《个性化设计、参数控制变化、轻量化，三大案例看创成式设计的应用价值》曾分享了通过创成式设计与3D打印技术，实现汽车轮毂大批量个性化设计的案例。本期，3D科学谷将继续创成式设计与个性化定制的话题，分享一个家用便携式EEG 耳机的个性化设计与制造的案例。设计与开发EEG耳机的目的是用于瘫痪患者的运动康复训练，属于康复医疗器械范畴。

从传统CAD建模演变为左边通过Autodesk Fusion 360创成式设计实现的最终设计。来源：Autodesk

 高效、经济的实现个性化与复杂性设计

脊髓损伤或中风患者经常会出现瘫痪，即部分或完全失去四肢的使用能力。这是由于大脑无法再向手臂或腿部发出指令。脑机接口(BCIs)是一种能够连接外部设备与人类大脑的技术,使得人类能够运用自已的思维来直接控制外部设备,而不需要肌肉、躯干的参与。脑-机交互及功能电刺激系统（BCI-FES），已被用于瘫痪患者的康复训练。

来源：Autodesk

BCI-FES系统所需的医疗设备复杂，并且患者需要与专业人员一起训练。如果获取可靠的患者脑电图（EEG）信号的方式更加简单，那么，BCI-FES 技术的成本将会降低，将有更多的瘫痪患者，受益于这种康复方式。根据软件公司Autodesk, 苏格兰格拉斯哥大学生物医学工程专业的一名博士研究生正在设计开发一种家用便携式EEG耳机，来应对这些挑战。

手功能不完全丧失的患者，是这个研究项目的主要对象。EEG耳机在康复治疗系统中起到的作用是记录大脑活动, 这套系统可以测量大脑活动，并在电脑屏幕上以图形化的方式显示出来，指导患者自我调节大脑活动。到人想要活动肢体时，大脑会产生与实际移动时相似的大脑活动变化，这时计算机会检测到意图并激活刺激器，刺激器向手部肌肉发出信号，然后患者就可以开始运动。

耳机开发者所在的实验室，曾使用一款商用便携式耳机进行了测试。电极与头部之间具有良好的接触性，是获取良好EEG 信号的关键，但这款耳机没有涵盖研究人员感兴趣的重点大脑关键区域，不能以一致的方式适合不同用户的头部，无法使电极与头部之间进行良好的接触。

EEG 3D打印耳机。来源：Autodesk

研究人员决定设计专用的耳机，将电极更准确地映射到头部。但一开始设计的可调节束带的通用型头戴式耳机，仍无法使用所有患者使用，因此最终决定进行EEG 耳机的个性化设计，但是无论是个性化设计，还是个性化制造，都需要高效和具有经济性。

最初设计耳机时，采用了传统计算机辅助设计软件，但最终转而采用能够高效、低成本实现个性化设计的创成式设计软件，来开发个性化EEG 耳机。他们使用的软件为Autodesk Fusion 360，在设计时输入一组需求，然后由软件根据这些需求，自动创建多组设计，供设计人员进行选择。研究人员将佩戴者头部的3D扫描文件导入到创成式设计软件中，然后使用它们来创建个性化耳机，软件生成了约15种不同的设计。

除了实现个性化设计之外，研究人员希望最大程度地减少将耳机安装到患者身上时使用的活动部件的数量，但这一设计理念增加了设计的复杂性。研究人员选择3D打印技术作为耳机的制造方式，以经济的方式实现个性化耳机的制造，并实现复杂的设计。

以上EEG耳机的研究项目仍在开展中，目前的定制耳机尚未成为正式的康复医疗设备。除了在运动康复领域的应用，这款耳机的还可以在消费领域得到应用，例如可以用来进行神经调节干预，测试健康的人如何仅凭脑波玩多用户游戏，来提高游戏的最佳性能。

更多关于3D打印技术在康复医疗器械制造中的应用，敬请关注即将发布的《3D打印与康复辅助器具白皮书2.0》。3D科学谷将从政策环境、康复市场、典型应用、专利、设计与行业标准，对这一领域进行多维度透视。

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近日，空客在欧特克大学（Autodesk University）揭示了双方在创成式设计应用领域取得的进展，并且透露了双方此前合作开发的3D打印仿生机舱隔离结构最新成果。

 以更经济的方式实现生产

空客正在开展的一部分工作是重新构想飞机的多个结构部件， 应用欧特克的创成式设计来开发超越性能与安全标准的轻量化飞机零部件。零部件的每一次减重都意味着飞机燃油消耗量的下降，因此，通过创成式设计实现轻量化零部件创新也意味着减少航空旅行对环境的不利影响。除了飞机零部件的设计优化，空客也在寻找优化制造流程与制造空间的方式。

早在2015年，空中客车（Airbus）就推出了首个通过创成式设计开发的轻量化零部件，即3D打印业界所熟知的轻量化仿生机舱隔离结构，该结构是采用高强度轻质铝合金材料与粉末床激光熔化3D打印技术制造的，用于空客A320机舱中，起到分隔客舱与后部食品准备区的作用。

空客工作人员测试3D隔离结构放置位置。来源：Autodesk

在最初仿生机舱隔离结构的设计中，空客希望在同等强度的情况下，比传统设计重量减轻45％。当时，空客预计如果该结构在其未完成的A320飞机订单中应用安装，每年将减少50万吨的二氧化碳排放量。

空客表示，最初的目标是通过金属3D打印技术与轻质金属材料制造这一仿生隔离结构，但是由于制造市场和材料要求方面的一系列可变因素，空客认为需要使用替代性的技术来实现这一创成式设计结构的制造，而与此同时，欧特克的创成式设计技术也更加成熟，现在能够在产品开发的设计阶段针对多种先进制造技术进行设计优化。

根据3D科学谷的市场观察，空客寻找到的新制造解决方案为3D打印与铸造相结合的技术。空客通过创成式设计软件来设计机舱隔离结构的3D打印塑料模具，然后通过此模具铸造合金材料。空客表示，新一代仿生隔离结构与上一代金属产品一样坚固、轻巧，并且能够更经济地进行大规模制造。

目前新一代设计的原型已经投入生产，空客希望在2019年底之前完成。一直与欧特克合作的空客设计师提到，这项工艺和技术已经发展到能够以更低的成本制造多个单元的阶段。

3D打印创成式设计的VTP部件。来源：Autodesk

除了以上已进入生产阶段的仿生隔离结构，空客还在利用创成式设计与3D打印技术探索更多的飞机结构部件的重构方式，包括重新设计A320飞机的垂直尾翼（VTP）前缘。飞机VTP（或垂直稳定器）作用是提供方向稳定性，并减少由左右移动引起的空气动力学效率低下的现象。创成式设计软件能够提供数百种VTP 设计方案供空客进行评估，这些设计方案都是满足刚度、稳定性和质量要求的。

在飞机结构件创成式设计中取得的积极进展，为空客在更多业务领域应用该技术提供了动力。根据3D科学谷的市场观察，空客已开始思考如何将创成式设计应用到建造、布局与工作流程中。

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根据3D科学谷的市场观察，在这一合作中欧特克的三维设计软件Fusion 360 将与通用结构力学仿真分析系统 ANSYS Mechanical 衔接在一起，从而缩短设计周期，加速产品创新速度。

 打破设计与仿真之间的孤岛

这一合作将打破在产品开发过程中，设计人员与仿真分析人员之间的孤岛，使得他们之间的具有互操作性，建立起设计-仿真分析的工程流程。具体来说，当设计工程师使用Fusion 360进行产品建模后，设计结果将自动在ANSYS Mechanical 出现，从而进行接下来的优化和验证。

Autodesk FUSION 360

根据 ANSYS ，相比现有的手动操作流程，这种开放系统的工程流程将显著提高效率，并且可以组合起来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。

ANSYS Mechanical

在产品开发中，实现产品设计构想和质量是一项需要由产品设计与仿真团队协同开展的工作，但设计与仿真之间往往是难以相连的孤岛，而欧特克与ANSYS 之间的合作将改善设计与仿真工具之间的工程流程，共同使制造业用户受益。随着设计师和分析师在这种开放性、无缝衔接的流程中获益，制造企业将提高新产品开发效率、削减成本，加速产品创新与生产速度。

 3D科学谷Review

正如欧特克与ANSYS 在宣布合作时所提，产品设计开发过程中存在着孤岛，设计师、分析师之间存在着难以衔接的工作流程，而欧特克与ANSYS 等软件巨头企业看到了其中存在的痛点，正在整合生态系统中的资源，致力于打造更为自动化的设计工作流程。

根据3D科学谷的市场观察，欧特克不仅在推动三维设计软件Fusion 360 与仿真的衔接，还在推动设计和制造的融合。Fusion 360 软件提供创成式设计功能，通过创成式设计生成的复杂性设计尤其适合通过3D打印技术进行制造，但之前的创成式设计通常并不考虑加工的限制，虽然3D打印在制造复杂的设计方面有着先天的优势，但是很多设计结果还需要CNC数控加工来实现更高的精度与表面质量，这使得设计与可制造性之间仍然缺乏一定程度的衔接，而Fusion 360 创成式设计2.5轴版本，从设计端衔接3D打印与机加工，由此增材制造设计与制造衔接的最后一公里正在被打通：3D打印技术与传统制造技术的设计折衷。

在这次合作中涉及到的另一个软件-ANSYS Mechanical 是ANSYS的核心产品之一，ANSYS Mechanical是通用结构力学仿真分析系统，以结构力学分析为主，涵盖线性、非线性、静力、动力、疲劳、断裂、复合材料、优化设计、概率设计、热及热结构耦合、压电等分析中几乎所有的功能。该这一仿真分析系统在面向增材制造的产品设计优化中也同样发挥着价值，例如，ANSYS公司精英级合作伙伴及增值服务商安世亚太在增材制造-3D打印点阵结构仿真分析中使用ANSYS Mechanical对等效后的均质化点阵进行力学分析。

根据3D科学谷的市场观察，另一家设计软件巨头PTC 也在进行设计和制造的一体化布局，将CAD软件Cero与创成式软件、仿真技术相集成。2018年，PTC收购了基于云的创成式设计软件公司Frustum Inc.，PTC与ANSYS之间有战略合作关系，收购Frustum也是对双方战略关系的补充，将分析引向上游，直至设计过程的最初阶段。借助Frustum和ANSYS的嵌入式功能，Creo将能够使用创成式设计推荐设计方法，利用ANSYS Discovery Live引导用户完成迭代设计过程，并最终使用更广泛的ANSYS Discovery套件大规模验证完整的产品设计。在将这些功能嵌入Creo后，工程师将能够以前所未有的能力快速推动产品创新。

设计软件巨头的设计与制造一体化布局正在显现出雏形，而这样的布局，对于制造业来说，尤其是天生具备数字化特征的3D打印与制造的结合来说，可以说是进一步呈现出释放3D打印潜力的天时、地利、人和发展势能。

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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。

不过之前的创成式设计通常并不考虑加工的限制，虽然3D打印在制造复杂的设计方面有着先天的优势，但是很多设计结果还需要CNC数控加工来实现更高的精度与表面质量，这使得设计与可制造性之间仍然缺乏一定程度的衔接，而Fusion 360 创成式设计2.5轴版本，从设计端衔接3D打印与机加工正在打通设计与制造衔接的最后一公里：3D打印技术与传统制造技术的设计折衷。

 为3D打印技术特点而重新设计

通过Autodesk Fusion 360提供的创成式设计功能，设计和可制造性都是内置的。增材制造和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，而欧特克关于创成式设计的2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以随意使用这种“折衷”的设计来进行加工。

软件公司Autodesk-欧特克和美国宇航局（NASA）喷气推进实验室的工程师们设计的星际着陆器，重量大大小于美国宇航局送往其它行星和卫星的大多数着陆器。是通过金属3D打印，铸造和铣削相结合制造的一个很酷的创成式设计项目的一个例子。

创成式设计-着陆器。来源：欧特克

通过欧特克的创成式设计软件，这个设计方法运用的是大自然的进化结果的防生学计算公式。设计师和工程师们只需要将设计目标、材料、制造材料和成本限制等数据输入到设计软件中，设计软件就能够快速生成多种设计结果作为选项。

的确，迄今为止许多创成式设计的实例看起来都是错综复杂的，这种复杂往往让制造商望而生畏，认为是看似无法实现的设计。但好消息是，创成式设计的适用范围正在扩大，包括支持传统制造工艺。

例如轮椅的金属支撑零部件，源自相同的创成式设计输出。每个零部件具有相同的功能和性能要求，相同的材料，相同的粗糙形式，唯一的区别是制造过程不同。

人工设计与创成式设计。来源：欧特克

图片显示了人工设计的零件以及在2.5轴和3轴CNC机床上铣削的两种创成式设计。

创成式设计不仅在释放3D打印的潜力，也在提升数控机床的自动化效率。自动化是体现在方方面面的，不仅仅是建模过程的自动化，包括加工过程的自动优化，闭环反馈，都使得从3D打印到数控加工，更具备数字化特征。

数控机床通常使用G代码来描述机床的加工信息，如 走刀轨迹、坐标的选择、冷却液的开启等。在这方面，欧特克的Autodesk PowerMill Additive将CAM编程自动化。

视频：Autodesk PowerMill Additive。来源：欧特克

当CNC机床切削金属时，控制器“知道”主轴上的压力及其最大加工效率。如果操作过程中主轴处于其最大负载条件的50％以下 – 这意味着它具有50％的潜能没有被充分利用。

通过与机器控制器的网络连接，可以“监听”控制器，并实时更新在设计软件中自动生成的加工策略。例如，当意识到主轴负载能力为50％，则可以提高进给速率，使刀具更快地切割材料或加大进给使得切割更深，以去除更多材料，从而获得更高的运营效率。

设计和制造的融合是产品制造的必然！创成式设计，自动编程和闭环反馈，使得数控机床加工具备了更明显的自动化特征。而在3D科学谷看来，对于制造商而言，最好的还未到来。很快，产品设计师，机械工程师和制造工程师之间的孤岛将被打破，而增材与减材将被进一步融合。

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视频：创成式设计 

欧特克近日发布了关于创成式设计的2.5轴*版本，主要用于生成突破铣削约束的设计。 这使得Fusion 360用户能够将3D打印与传统的CNC铣削实现更好的结合。

视频：Fusion 360 结合创成式设计2.5轴版本

创成式设计。来源：欧特克 Fusion 360

 正在将增材与减材融合的建模设计软件

3D科学谷了解到，这些设计打破了我们对创成式设计所熟悉的“仿生学外形”，而是外形上看上去更接近传统的设计。

左：人工设计，右：创成式软件生成的2.5轴加工设计

左：创成式软件生成的3轴加工设计，右：创成式软件生成的增材制造设计

展示的是来自MJK Performance的摩托车三重夹具。来源：欧特克

通过Autodesk Fusion 360提供的创成式设计功能，设计和可制造性都是内置的。增材制造和3轴以及5轴铣削加工之间具有各自的特点，这些特点使得这两者之间似乎隔了难以逾越的“鸿沟”，而欧特克近日发布的关于创成式设计的2.5轴版本使得任何拥有数控铣床的人都可以随意使用这种“折衷”的设计来进行加工。

除了可以直接访问Fusion 360基于云的创成式设计，高级仿真模拟和高级CAM功能外，欧特克Fusion 360集成工作区现在还提供真正的混合制造体验，在单一工作流程中结合了先进的增材制造和CAM功能。

面向未来的设计与制造，创成式设计的下一步是什么？一个简单的回答是：设计和制造的融合是产品制造的必然！

欧特克的努力方向是打破产品设计师，机械工程师和制造工程师之间的孤岛。

在应用领域，根据3D科学谷的市场观察，欧特克基于Autodesk Netfabb和Fusion 360 开发了一种全面的增材制造设计到3D打印的工作流程，将Autodesk创成式设计技术与惠普的HP Multi Jet Fusion 3D打印机连接起来。通过简化数字设计到物理部件的转换，新工作流程将提高快速设计的可访问性，同时加快用户3D打印零部件的能力。

将HP Multi Jet Fusion独特的体素级特点与欧特克创成式设计相结合，可以从原型设计到生产，获得创新能力，制造速度和质量控制的全新水平。软件激发制造活力，新的功能正在释放新的可能性，并进一步改变世界设计和制造方式。

除了与惠普的合作，欧特克还与GE增材制造合作简化金属增材制造的开发工作，基于Fusion 360平台，通过工作流程软件连接增材制造的所有阶段，从设计和仿真模拟到3D打印流程和机器分析。

另一方面，通过使用GE Additive软件算法，接口和专业数据模型提供预测性见解，增材制造工作流程中所嵌入的软件可以在设计的早期阶段提供成本和制造周期时间线预测，使设计人员无需先实际生产零件即可制定制造计划和业务决策。

而另一方面，欧特克与EWI联手通过一系列培训计划加速行业采用和部署增材制造技术，包括定向能源沉积（DED）技术。欧特克的PowerMIll Additive提供了一种创新解决方案，简化的工作流程使得沉积路径计算、数控程序排序、打印过程仿真和后处理变得轻松便捷。

毫无疑问，欧特克正在将增材制造应用扩展到真正的工业规模。无论是软件还是硬件，现在都可以实现更远大的目标，欧特克正在抓住这一机遇，为增材与减材相融合的加工过程提供变革所需要的软件平台与工具。

*名词解释：2.5轴的工法是用来铣削由袋状区域，岛屿，轮廓外形，沟槽，垂直壁面，平坦面和钻孔加工等工序所组成的弓箭。通常使用在电子零件外壳，精密机械零件，冲床模具加工。

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