編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3） 作者：唐云龍，3D打印資源庫(kù)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

工欲善其事必先利其器。

3D打印的軟件與硬件共同影響著從設(shè)計(jì)到成形中的關(guān)鍵步驟。這些關(guān)鍵的步驟決定著產(chǎn)品的成敗和優(yōu)劣。在專業(yè)領(lǐng)域的算法和軟件在行業(yè)中依然欠缺，在中國(guó)的情況尤為如此。

靖哥有幸邀請(qǐng)了唐云龍博士，為我們解讀數(shù)字設(shè)計(jì)與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。唐博士對(duì)此方向做了全方位的解讀，而本話題也將分為兩期來(lái)分享，敬請(qǐng)關(guān)注。

【作者簡(jiǎn)介】

唐云龍，博士，2017年9月畢業(yè)于加拿大麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系，博士導(dǎo)師。目前就職于澳大利亞蒙納士大學(xué)，機(jī)械與航空工程系及材料科學(xué)與工程系，任講師一職。其主要研究方向?yàn)椋瑪?shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，先進(jìn)增材制造技術(shù)，面向增材制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以及智能制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

淺談數(shù)字設(shè)計(jì)與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用（下）

3D打印機(jī)數(shù)控軟件（CAM）

當(dāng)工藝準(zhǔn)備完成了，下一步當(dāng)然是打印了。對(duì)于一個(gè)3D模型，其打印過(guò)程往往分為兩步。第一步就是計(jì)算機(jī)對(duì)3D模型進(jìn)行切片，然后根據(jù)所設(shè)置的工藝參數(shù)進(jìn)行加工路徑的規(guī)劃并生成相應(yīng)的控制代碼。第二步就是將控制代碼輸入到打印機(jī)，通過(guò)打印機(jī)的固件，將控制代碼轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行打印。

當(dāng)然，一些商業(yè)化的3D打印機(jī)，由于系統(tǒng)封裝的原因，打印路徑規(guī)劃和打印機(jī)控制是封裝到一起的，對(duì)于普通用戶是很難接觸到其具體加工路徑及控制代碼的。然而對(duì)于開(kāi)源的打印機(jī)如Prusa I3,作為用戶的我們是可以選擇不同的切片軟件，如CURA（圖8所示）, SIMPLIFY 3D，Slic3r 等軟件進(jìn)行切片，然后生成相應(yīng)的加工代碼。

至于打印機(jī)的控制，那就得根據(jù)不同的打印機(jī)配置不同的控制軟件進(jìn)行操作。對(duì)于開(kāi)源FDM 打印機(jī),我們可以選用比較流行的Marlin固件，該固件可以將數(shù)控代碼G-Code，轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)模型的3D打印。對(duì)光固化（DLP）的機(jī)器，可以選用CreationWorkshop (好像現(xiàn)在已經(jīng)不免費(fèi)或者開(kāi)源了)或者NanoDLP。對(duì)于更復(fù)雜的激光燒結(jié)如SLS或者SLM技術(shù)，也有一些開(kāi)源的軟件也可以嘗試如OpenSLS。除此之外，在美國(guó)AMERICAN MAKE的支持下，幾所美國(guó)大學(xué)與GE等大型企業(yè)聯(lián)合研制了一款多激光頭的開(kāi)源打印機(jī)控制系統(tǒng)。但是很遺憾，該系統(tǒng)僅僅對(duì)AMERICAN MAKE成員開(kāi)放。（題外話，希望我們也能多一些這樣的開(kāi)源系統(tǒng)）

圖8：基于Cura的動(dòng)態(tài)切片分層（https://www.youtube.com/watch?v=T68ILZ1aLQQ）

3D打印過(guò)程仿真軟件

與傳統(tǒng)加工類似，3D打印過(guò)程往往涉及到復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合。其加工過(guò)程的影響因素較多，即使用同樣的加工參數(shù)與材料，對(duì)于不同幾何形狀的零件，其加工后的變形量以及材料實(shí)際屬性往往不同。為了預(yù)測(cè)零件加工變形與材料加工后的屬性，3D打印過(guò)程仿真軟件孕育而生并且獲得了極大的關(guān)注。

目前來(lái)說(shuō)，大部分工藝過(guò)程仿真軟件均集中于金屬材料的打印。因?yàn)樵擃惒牧系拇蛴〕杀竞托阅芤笞罡?。根?jù)仿真的尺度和目的，我們大概可以將其分為三類軟件。第一類軟件（如圖9所示）主要集中關(guān)注熔池尺度的仿真，其目標(biāo)主要是預(yù)測(cè)熔池形狀，以及打印后零件的孔隙率以及材料加工后的微觀組織。并基于此對(duì)新材料的3D打印進(jìn)行工藝窗口的探索。第二類（如圖10所示）是零件尺度的仿真，其主要目的是預(yù)測(cè)零件的殘余應(yīng)力以及變形。并基于此對(duì)打印方向，以及工藝參數(shù)的優(yōu)化。有時(shí)甚至可以對(duì)零件進(jìn)行反向補(bǔ)償。第三類軟件（如圖11所示）是集中于對(duì)3D打印某些子過(guò)程的仿真研究，比如在粉床成型過(guò)程中的鋪粉仿真，其主要目的是優(yōu)化子過(guò)程參數(shù)。

除此之外，最近的一些研究顯示，將3D打印在線參數(shù)監(jiān)控與物理場(chǎng)模型仿真分析相融合的分析方式將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。由于涉及到多物理場(chǎng)，多尺度非線性仿真分析，大部分商業(yè)仿真軟件如Ansys Additive Manufacturing, Simufact Additive,Alphastar都采用了一定的模型簡(jiǎn)化方法，這些方法雖然在仿真計(jì)算的速度上有較大的提高，但是對(duì)模型的精度以及準(zhǔn)確度都會(huì)有一定的影響，因此大部分時(shí)候只能將上述軟件的仿真結(jié)果作為一個(gè)參考，如果需要精確的變形結(jié)果，還是需要做打印實(shí)驗(yàn)。

圖9：Ansys Additive Science預(yù)測(cè)材料微觀結(jié)構(gòu)仿真（Image via Ansys）

圖10：Alphastar對(duì)3D打印零件變形的仿真（Image via Alphastar）

圖11：EDEM零件鋪粉仿真（Fouda, Y. M., & Bayly, A. E. (2020). A DEMstudy of powder spreading in additive layer manufacturing. Granular Matter,22(1), 10.）

發(fā)展趨勢(shì)及展望

隨著打印技術(shù)的不斷成熟，越來(lái)越多的人開(kāi)始意識(shí)到軟件對(duì)于3D打印技術(shù)的重要性。越來(lái)越多的工業(yè)軟件公司將其自身的產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代從而來(lái)適應(yīng)3D打印技術(shù)的需求。幾個(gè)CAD/CAE/CAM大廠，如PTC，西門(mén)子，達(dá)索，ANSYS，及Autodesk，Altair，都推出了面向增材制造的有關(guān)模塊，并將其融入現(xiàn)有的產(chǎn)品鏈條之中。

他們或是收購(gòu)?fù)滩⒁延泄?，如Autodesk收購(gòu)Netfabb以及Within Enhance, ANSYS收購(gòu)3DSIM, 西門(mén)子收購(gòu)FRUSTUM，或是開(kāi)發(fā)其自己的產(chǎn)品如Altair旗下的Solidthinking, Cero 的additive manufacturing module。這足以見(jiàn)得上述公司對(duì)3D打印領(lǐng)域的重視。目前，這些大廠的主要研發(fā)方向?yàn)槎嗫c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化以及加工工藝過(guò)程仿真與零件打印方向優(yōu)化等。

除上述大廠外，我們還可以看見(jiàn)有很多有意思的初創(chuàng)企業(yè)或者開(kāi)源軟件。如筆者所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件INTRALATTICE,以及美國(guó)初創(chuàng)公司所開(kāi)發(fā)nTopology，開(kāi)源3D打印機(jī)云端控制及打印監(jiān)控軟件OctoPrint.  上述軟件的開(kāi)發(fā)，為3D打印未來(lái)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，我們?nèi)孕枵J(rèn)識(shí)到目前的軟件特別是面向3D打印的軟件仍有許多不足之處，仍需廣大小伙伴們的努力?；诠P者多年對(duì)行業(yè)的了解，對(duì)未來(lái)3D打印軟件發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了如下的展望：

圖12：多孔結(jié)構(gòu)生成軟件nTopology（左圖）與Intralattice （右圖）
1. 面向增材制造的專業(yè)3D圖形內(nèi)核。作為CAD軟件和核心，目前主流CAD軟件所采用的三維圖形內(nèi)核限制了零件的復(fù)雜程度。為了突破上述限制，一些圖形內(nèi)核供應(yīng)商如達(dá)索SPATIAL提出了混合建模技術(shù)（Hybrid Modeling）, 通過(guò)將B-Rep, 多邊形網(wǎng)格以及體素建模（Voxel）相融合，從而更高效地表達(dá)具有多尺度復(fù)雜性的3D打印零件模型。除此之外，美國(guó)初創(chuàng)公司Dyndrite也致力于開(kāi)發(fā)基于GPU的新型面向3D打印的圖形建模技術(shù)，從而進(jìn)一步釋放3D打印技術(shù)的制造潛力。

2. 3D打印材料，結(jié)構(gòu)及工藝的一體化設(shè)計(jì)及優(yōu)化軟件。與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印提供了一種有效的技術(shù)手段，讓我們可以控制零件的加工參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其材料微觀結(jié)構(gòu)及組份的精確控制。然而基于目前的現(xiàn)有軟件，還很難實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)。其關(guān)鍵瓶頸是建立加工參數(shù)-材料微觀結(jié)構(gòu)-材料屬性-產(chǎn)品性能（Process-Structure-Properties-Performance）模型。該模型的建立將有效地整合現(xiàn)有打印過(guò)程仿真，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃過(guò)程，從而對(duì)3D打印零件的幾何結(jié)構(gòu)，材料組份及加工參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3. 定制化醫(yī)療產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)與快速制造。3D打印為定制化醫(yī)療器械的快速制造提供了可行的思路。然而其設(shè)計(jì)的周期與成本現(xiàn)已經(jīng)成為其主要制約因素。基于目前主流CAD軟件進(jìn)行上述設(shè)計(jì)，均需要大量的人工交互與專家知識(shí)，其人力及物力成本均比較高。因此目前急需一些軟件，能夠快速地生成滿足用戶定制化需求的醫(yī)療產(chǎn)品，同時(shí)根據(jù)其幾何特征對(duì)其打印的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)定制化產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與制造。

4. 加工工藝過(guò)程動(dòng)態(tài)控制軟件。傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，我們都是通過(guò)事先預(yù)設(shè)的加工參數(shù)進(jìn)行打印。加工工程中，打印參數(shù)很難調(diào)整。隨著在線監(jiān)控技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，我們已經(jīng)能夠在打印過(guò)程中獲得大量的數(shù)據(jù)，并基于上述數(shù)據(jù)對(duì)打印零件的事實(shí)狀態(tài)進(jìn)行初步的評(píng)估。然而如何應(yīng)用上述數(shù)據(jù)以及對(duì)零件狀態(tài)的評(píng)估為下一階段的打印進(jìn)行優(yōu)化還是一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題。其核心在于如何應(yīng)用這些已有數(shù)據(jù)，并通過(guò)將數(shù)據(jù)與基于物理場(chǎng)的仿真模型相結(jié)合構(gòu)建3D打印過(guò)程的數(shù)字孿生模型。基于數(shù)字孿生模型，可以對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)規(guī)劃及調(diào)整。該技術(shù)將會(huì)是未來(lái)3D打印控制軟件的主流。

上述內(nèi)容均是筆者在3D打印領(lǐng)域多年研究的一些個(gè)人見(jiàn)解和看法，如有不足之處還請(qǐng)指出，多多討論。

總結(jié)

3D打印規(guī)?；倪M(jìn)入應(yīng)用市場(chǎng)，需要軟件、硬件和材料全方位的匹配與結(jié)合。在過(guò)去近四十年的發(fā)展歷程，科學(xué)家、工程師與用戶緊密結(jié)合，在硬件和材料方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。從設(shè)備方面，已經(jīng)形成了歐美和中國(guó)設(shè)備在國(guó)際市場(chǎng)同臺(tái)PK的局面，同時(shí)中國(guó)的設(shè)備廠商依然在進(jìn)一步的提升產(chǎn)品質(zhì)量。

相比于硬件的發(fā)展，中國(guó)的軟件更為薄弱；而細(xì)分領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)尤為如此。

軟件卻從模型開(kāi)始就定義了產(chǎn)品的性能。在醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的性能是與形態(tài)同等、甚至更為重要的因素；這些性能的保障則能夠安全、有效的將產(chǎn)品在市場(chǎng)進(jìn)行有效的推廣。

而3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步的提升到了對(duì)性能定制的需求，這是對(duì)軟件更高層次的要求，但同時(shí)也意味著更大的機(jī)遇。

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫(kù)立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

編者按：本文來(lái)自微信公眾號(hào)“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3） 作者：唐云龍，3D打印資源庫(kù)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

工欲善其事必先利其器。

3D打印的軟件與硬件共同影響著從設(shè)計(jì)到成形中的關(guān)鍵步驟。這些關(guān)鍵的步驟決定著產(chǎn)品的成敗和優(yōu)劣。在專業(yè)領(lǐng)域的算法和軟件在行業(yè)中依然欠缺，在中國(guó)的情況尤為如此。

靖哥有幸邀請(qǐng)了唐云龍博士，為我們解讀數(shù)字設(shè)計(jì)與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用。唐博士對(duì)此方向做了全方位的解讀，而本話題也將分為兩期來(lái)分享，敬請(qǐng)關(guān)注。

【作者簡(jiǎn)介】

唐云龍，博士，2017年9月畢業(yè)于加拿大麥吉爾大學(xué)機(jī)械工程系，博士導(dǎo)師。目前就職于澳大利亞蒙納士大學(xué)，機(jī)械與航空工程系及材料科學(xué)與工程系，任講師一職。其主要研究方向?yàn)椋瑪?shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，先進(jìn)增材制造技術(shù)，面向增材制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化，以及智能制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

淺談數(shù)字設(shè)計(jì)與制造軟件在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用（下）

3D打印機(jī)數(shù)控軟件（CAM）

當(dāng)工藝準(zhǔn)備完成了，下一步當(dāng)然是打印了。對(duì)于一個(gè)3D模型，其打印過(guò)程往往分為兩步。第一步就是計(jì)算機(jī)對(duì)3D模型進(jìn)行切片，然后根據(jù)所設(shè)置的工藝參數(shù)進(jìn)行加工路徑的規(guī)劃并生成相應(yīng)的控制代碼。第二步就是將控制代碼輸入到打印機(jī)，通過(guò)打印機(jī)的固件，將控制代碼轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行打印。

當(dāng)然，一些商業(yè)化的3D打印機(jī)，由于系統(tǒng)封裝的原因，打印路徑規(guī)劃和打印機(jī)控制是封裝到一起的，對(duì)于普通用戶是很難接觸到其具體加工路徑及控制代碼的。然而對(duì)于開(kāi)源的打印機(jī)如Prusa I3,作為用戶的我們是可以選擇不同的切片軟件，如CURA（圖8所示）, SIMPLIFY 3D，Slic3r 等軟件進(jìn)行切片，然后生成相應(yīng)的加工代碼。

至于打印機(jī)的控制，那就得根據(jù)不同的打印機(jī)配置不同的控制軟件進(jìn)行操作。對(duì)于開(kāi)源FDM 打印機(jī),我們可以選用比較流行的Marlin固件，該固件可以將數(shù)控代碼G-Code，轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)模型的3D打印。對(duì)光固化（DLP）的機(jī)器，可以選用CreationWorkshop (好像現(xiàn)在已經(jīng)不免費(fèi)或者開(kāi)源了)或者NanoDLP。對(duì)于更復(fù)雜的激光燒結(jié)如SLS或者SLM技術(shù)，也有一些開(kāi)源的軟件也可以嘗試如OpenSLS。除此之外，在美國(guó)AMERICAN MAKE的支持下，幾所美國(guó)大學(xué)與GE等大型企業(yè)聯(lián)合研制了一款多激光頭的開(kāi)源打印機(jī)控制系統(tǒng)。但是很遺憾，該系統(tǒng)僅僅對(duì)AMERICAN MAKE成員開(kāi)放。（題外話，希望我們也能多一些這樣的開(kāi)源系統(tǒng)）

圖8：基于Cura的動(dòng)態(tài)切片分層（https://www.youtube.com/watch?v=T68ILZ1aLQQ）

3D打印過(guò)程仿真軟件

與傳統(tǒng)加工類似，3D打印過(guò)程往往涉及到復(fù)雜的多物理場(chǎng)耦合。其加工過(guò)程的影響因素較多，即使用同樣的加工參數(shù)與材料，對(duì)于不同幾何形狀的零件，其加工后的變形量以及材料實(shí)際屬性往往不同。為了預(yù)測(cè)零件加工變形與材料加工后的屬性，3D打印過(guò)程仿真軟件孕育而生并且獲得了極大的關(guān)注。

目前來(lái)說(shuō)，大部分工藝過(guò)程仿真軟件均集中于金屬材料的打印。因?yàn)樵擃惒牧系拇蛴〕杀竞托阅芤笞罡?。根?jù)仿真的尺度和目的，我們大概可以將其分為三類軟件。第一類軟件（如圖9所示）主要集中關(guān)注熔池尺度的仿真，其目標(biāo)主要是預(yù)測(cè)熔池形狀，以及打印后零件的孔隙率以及材料加工后的微觀組織。并基于此對(duì)新材料的3D打印進(jìn)行工藝窗口的探索。第二類（如圖10所示）是零件尺度的仿真，其主要目的是預(yù)測(cè)零件的殘余應(yīng)力以及變形。并基于此對(duì)打印方向，以及工藝參數(shù)的優(yōu)化。有時(shí)甚至可以對(duì)零件進(jìn)行反向補(bǔ)償。第三類軟件（如圖11所示）是集中于對(duì)3D打印某些子過(guò)程的仿真研究，比如在粉床成型過(guò)程中的鋪粉仿真，其主要目的是優(yōu)化子過(guò)程參數(shù)。

除此之外，最近的一些研究顯示，將3D打印在線參數(shù)監(jiān)控與物理場(chǎng)模型仿真分析相融合的分析方式將會(huì)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。由于涉及到多物理場(chǎng)，多尺度非線性仿真分析，大部分商業(yè)仿真軟件如Ansys Additive Manufacturing, Simufact Additive,Alphastar都采用了一定的模型簡(jiǎn)化方法，這些方法雖然在仿真計(jì)算的速度上有較大的提高，但是對(duì)模型的精度以及準(zhǔn)確度都會(huì)有一定的影響，因此大部分時(shí)候只能將上述軟件的仿真結(jié)果作為一個(gè)參考，如果需要精確的變形結(jié)果，還是需要做打印實(shí)驗(yàn)。

圖9：Ansys Additive Science預(yù)測(cè)材料微觀結(jié)構(gòu)仿真（Image via Ansys）

圖10：Alphastar對(duì)3D打印零件變形的仿真（Image via Alphastar）

圖11：EDEM零件鋪粉仿真（Fouda, Y. M., & Bayly, A. E. (2020). A DEMstudy of powder spreading in additive layer manufacturing. Granular Matter,22(1), 10.）

發(fā)展趨勢(shì)及展望

隨著打印技術(shù)的不斷成熟，越來(lái)越多的人開(kāi)始意識(shí)到軟件對(duì)于3D打印技術(shù)的重要性。越來(lái)越多的工業(yè)軟件公司將其自身的產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代從而來(lái)適應(yīng)3D打印技術(shù)的需求。幾個(gè)CAD/CAE/CAM大廠，如PTC，西門(mén)子，達(dá)索，ANSYS，及Autodesk，Altair，都推出了面向增材制造的有關(guān)模塊，并將其融入現(xiàn)有的產(chǎn)品鏈條之中。

他們或是收購(gòu)?fù)滩⒁延泄?，如Autodesk收購(gòu)Netfabb以及Within Enhance, ANSYS收購(gòu)3DSIM, 西門(mén)子收購(gòu)FRUSTUM，或是開(kāi)發(fā)其自己的產(chǎn)品如Altair旗下的Solidthinking, Cero 的additive manufacturing module。這足以見(jiàn)得上述公司對(duì)3D打印領(lǐng)域的重視。目前，這些大廠的主要研發(fā)方向?yàn)槎嗫c(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化以及加工工藝過(guò)程仿真與零件打印方向優(yōu)化等。

除上述大廠外，我們還可以看見(jiàn)有很多有意思的初創(chuàng)企業(yè)或者開(kāi)源軟件。如筆者所在團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的多孔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件INTRALATTICE,以及美國(guó)初創(chuàng)公司所開(kāi)發(fā)nTopology，開(kāi)源3D打印機(jī)云端控制及打印監(jiān)控軟件OctoPrint.  上述軟件的開(kāi)發(fā)，為3D打印未來(lái)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而，我們?nèi)孕枵J(rèn)識(shí)到目前的軟件特別是面向3D打印的軟件仍有許多不足之處，仍需廣大小伙伴們的努力?；诠P者多年對(duì)行業(yè)的了解，對(duì)未來(lái)3D打印軟件發(fā)展的趨勢(shì)進(jìn)行了如下的展望：

圖12：多孔結(jié)構(gòu)生成軟件nTopology（左圖）與Intralattice （右圖）
1. 面向增材制造的專業(yè)3D圖形內(nèi)核。作為CAD軟件和核心，目前主流CAD軟件所采用的三維圖形內(nèi)核限制了零件的復(fù)雜程度。為了突破上述限制，一些圖形內(nèi)核供應(yīng)商如達(dá)索SPATIAL提出了混合建模技術(shù)（Hybrid Modeling）, 通過(guò)將B-Rep, 多邊形網(wǎng)格以及體素建模（Voxel）相融合，從而更高效地表達(dá)具有多尺度復(fù)雜性的3D打印零件模型。除此之外，美國(guó)初創(chuàng)公司Dyndrite也致力于開(kāi)發(fā)基于GPU的新型面向3D打印的圖形建模技術(shù)，從而進(jìn)一步釋放3D打印技術(shù)的制造潛力。

2. 3D打印材料，結(jié)構(gòu)及工藝的一體化設(shè)計(jì)及優(yōu)化軟件。與傳統(tǒng)制造方式相比，3D打印提供了一種有效的技術(shù)手段，讓我們可以控制零件的加工參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其材料微觀結(jié)構(gòu)及組份的精確控制。然而基于目前的現(xiàn)有軟件，還很難實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)。其關(guān)鍵瓶頸是建立加工參數(shù)-材料微觀結(jié)構(gòu)-材料屬性-產(chǎn)品性能（Process-Structure-Properties-Performance）模型。該模型的建立將有效地整合現(xiàn)有打印過(guò)程仿真，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃過(guò)程，從而對(duì)3D打印零件的幾何結(jié)構(gòu)，材料組份及加工參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3. 定制化醫(yī)療產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)與快速制造。3D打印為定制化醫(yī)療器械的快速制造提供了可行的思路。然而其設(shè)計(jì)的周期與成本現(xiàn)已經(jīng)成為其主要制約因素。基于目前主流CAD軟件進(jìn)行上述設(shè)計(jì)，均需要大量的人工交互與專家知識(shí)，其人力及物力成本均比較高。因此目前急需一些軟件，能夠快速地生成滿足用戶定制化需求的醫(yī)療產(chǎn)品，同時(shí)根據(jù)其幾何特征對(duì)其打印的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)定制化產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與制造。

4. 加工工藝過(guò)程動(dòng)態(tài)控制軟件。傳統(tǒng)3D打印技術(shù)，我們都是通過(guò)事先預(yù)設(shè)的加工參數(shù)進(jìn)行打印。加工工程中，打印參數(shù)很難調(diào)整。隨著在線監(jiān)控技術(shù)以及人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，我們已經(jīng)能夠在打印過(guò)程中獲得大量的數(shù)據(jù)，并基于上述數(shù)據(jù)對(duì)打印零件的事實(shí)狀態(tài)進(jìn)行初步的評(píng)估。然而如何應(yīng)用上述數(shù)據(jù)以及對(duì)零件狀態(tài)的評(píng)估為下一階段的打印進(jìn)行優(yōu)化還是一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題。其核心在于如何應(yīng)用這些已有數(shù)據(jù)，并通過(guò)將數(shù)據(jù)與基于物理場(chǎng)的仿真模型相結(jié)合構(gòu)建3D打印過(guò)程的數(shù)字孿生模型。基于數(shù)字孿生模型，可以對(duì)打印參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)規(guī)劃及調(diào)整。該技術(shù)將會(huì)是未來(lái)3D打印控制軟件的主流。

上述內(nèi)容均是筆者在3D打印領(lǐng)域多年研究的一些個(gè)人見(jiàn)解和看法，如有不足之處還請(qǐng)指出，多多討論。

總結(jié)

3D打印規(guī)?；倪M(jìn)入應(yīng)用市場(chǎng)，需要軟件、硬件和材料全方位的匹配與結(jié)合。在過(guò)去近四十年的發(fā)展歷程，科學(xué)家、工程師與用戶緊密結(jié)合，在硬件和材料方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。從設(shè)備方面，已經(jīng)形成了歐美和中國(guó)設(shè)備在國(guó)際市場(chǎng)同臺(tái)PK的局面，同時(shí)中國(guó)的設(shè)備廠商依然在進(jìn)一步的提升產(chǎn)品質(zhì)量。

相比于硬件的發(fā)展，中國(guó)的軟件更為薄弱；而細(xì)分領(lǐng)域的軟件開(kāi)發(fā)尤為如此。

軟件卻從模型開(kāi)始就定義了產(chǎn)品的性能。在醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品的性能是與形態(tài)同等、甚至更為重要的因素；這些性能的保障則能夠安全、有效的將產(chǎn)品在市場(chǎng)進(jìn)行有效的推廣。

而3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步的提升到了對(duì)性能定制的需求，這是對(duì)軟件更高層次的要求，但同時(shí)也意味著更大的機(jī)遇。

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