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

2020-10-14 10:08
編者按:本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”(ID:gh_d599e1b42ab3) 作者:唐云龍,3D打印資源庫經(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,在中國的情況尤為如此。

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

【作者簡介】
唐云龍,博士,2017年9月畢業(yè)于加拿大麥吉爾大學(xué)機械工程系,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。其主要研究方向為,數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù),先進增材制造技術(shù),面向增材制造的產(chǎn)品設(shè)計與優(yōu)化,以及智能制造系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

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

3D打印機數(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。對于一個3D模型,其打印過程往往分為兩步。第一步就是計算機對3D模型進行切片,然后根據(jù)所設(shè)置的工藝參數(shù)進行加工路徑的規(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,通過打印機的固件,將控制代碼轉(zhuǎn)換為電機驅(qū)動信號進行打印。

當(dāng)然,一些商業(yè)化的3D打印機,由于系統(tǒng)封裝的原因,打印路徑規(guī)劃和打印機控制是封裝到一起的,對于普通用戶是很難接觸到其具體加工路徑及控制代碼的。然而對于開源的打印機如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 等軟件進行切片,然后生成相應(yīng)的加工代碼。

至于打印機的控制,那就得根據(jù)不同的打印機配置不同的控制軟件進行操作。對于開源FDM 打印機,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)換為步進電機的控制指令,從而實現(xiàn)模型的3D打印。對光固化(DLP)的機器,可以選用CreationWorkshop (好像現(xiàn)在已經(jīng)不免費或者開源了)或者NanoDLP。對于更復(fù)雜的激光燒結(jié)如SLS或者SLM技術(shù),也有一些開源的軟件也可以嘗試如OpenSLS。除此之外,在美國AMERICAN MAKE的支持下,幾所美國大學(xué)與GE等大型企業(yè)聯(lián)合研制了一款多激光頭的開源打印機控制系統(tǒng)。但是很遺憾,該系統(tǒng)僅僅對AMERICAN MAKE成員開放。(題外話,希望我們也能多一些這樣的開源系統(tǒng))
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圖8:基于Cura的動態(tài)切片分層(https://www.youtube.com/watch?v=T68ILZ1aLQQ

3D打印過程仿真軟件

與傳統(tǒng)加工類似,3D打印過程往往涉及到復(fù)雜的多物理場耦合。其加工過程的影響因素較多,即使用同樣的加工參數(shù)與材料,對于不同幾何形狀的零件,其加工后的變形量以及材料實際屬性往往不同。為了預(yù)測零件加工變形與材料加工后的屬性,3D打印過程仿真軟件孕育而生并且獲得了極大的關(guān)注。

目前來說,大部分工藝過程仿真軟件均集中于金屬材料的打印。因為該類材料的打印成本和性能要求最高。根據(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。并基于此對新材料的3D打印進行工藝窗口的探索。第二類(如圖10所示)是零件尺度的仿真,其主要目的是預(yù)測零件的殘余應(yīng)力以及變形。并基于此對打印方向,以及工藝參數(shù)的優(yōu)化。有時甚至可以對零件進行反向補償。第三類軟件(如圖11所示)是集中于對3D打印某些子過程的仿真研究,比如在粉床成型過程中的鋪粉仿真,其主要目的是優(yōu)化子過程參數(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)控與物理場模型仿真分析相融合的分析方式將會是未來的發(fā)展趨勢。由于涉及到多物理場,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化方法,這些方法雖然在仿真計算的速度上有較大的提高,但是對模型的精度以及準(zhǔn)確度都會有一定的影響,因此大部分時候只能將上述軟件的仿真結(jié)果作為一個參考,如果需要精確的變形結(jié)果,還是需要做打印實驗。
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圖9:Ansys Additive Science預(yù)測材料微觀結(jié)構(gòu)仿真(Image via Ansys)
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圖10:Alphastar對3D打印零件變形的仿真(Image via Alphastar)
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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)展趨勢及展望

隨著打印技術(shù)的不斷成熟,越來越多的人開始意識到軟件對于3D打印技術(shù)的重要性。越來越多的工業(yè)軟件公司將其自身的產(chǎn)品進行升級換代從而來適應(yīng)3D打印技術(shù)的需求。幾個CAD/CAE/CAM大廠,如PTC,西門子,達索,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?fù)滩⒁延泄荆鏏utodesk收購Netfabb以及Within Enhance, ANSYS收購3DSIM, 西門子收購FRUSTUM,或是開發(fā)其自己的產(chǎn)品如Altair旗下的Solidthinking, Cero 的additive manufacturing module。這足以見得上述公司對3D打印領(lǐng)域的重視。目前,這些大廠的主要研發(fā)方向為多孔點陣結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化,拓撲優(yōu)化以及加工工藝過程仿真與零件打印方向優(yōu)化等。

除上述大廠外,我們還可以看見有很多有意思的初創(chuàng)企業(yè)或者開源軟件。如筆者所在團隊開發(fā)的多孔點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件INTRALATTICE,以及美國初創(chuàng)公司所開發(fā)nTopology,開源3D打印機云端控制及打印監(jiān)控軟件OctoPrint.  上述軟件的開發(fā),為3D打印未來的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。然而,我們?nèi)孕枵J識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者多年對行業(yè)的了解,對未來3D打印軟件發(fā)展的趨勢進行了如下的展望:
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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)商如達索SPATIAL提出了混合建模技術(shù)(Hybrid Modeling), 通過將B-Rep, 多邊形網(wǎng)格以及體素建模(Voxel)相融合,從而更高效地表達具有多尺度復(fù)雜性的3D打印零件模型。除此之外,美國初創(chuàng)公司Dyndrite也致力于開發(fā)基于GPU的新型面向3D打印的圖形建模技術(shù),從而進一步釋放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),從而實現(xiàn)對其材料微觀結(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)有打印過程仿真,與產(chǎn)品設(shè)計與工藝規(guī)劃過程,從而對3D打印零件的幾何結(jié)構(gòu),材料組份及加工參數(shù)進行進一步的優(yōu)化。

3. 定制化醫(yī)療產(chǎn)品的智能設(shè)計與快速制造。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軟件進行上述設(shè)計,均需要大量的人工交互與專家知識,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,同時根據(jù)其幾何特征對其打印的參數(shù)進行進一步的優(yōu)化,實現(xiàn)定制化產(chǎn)品的快速設(shè)計與制造。

4. 加工工藝過程動態(tài)控制軟件。傳統(tǒng)3D打印技術(shù),我們都是通過事先預(yù)設(shè)的加工參數(shù)進行打印。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)能夠在打印過程中獲得大量的數(shù)據(jù),并基于上述數(shù)據(jù)對打印零件的事實狀態(tài)進行初步的評估。然而如何應(yīng)用上述數(shù)據(jù)以及對零件狀態(tài)的評估為下一階段的打印進行優(yōu)化還是一個開放性的問題。其核心在于如何應(yīng)用這些已有數(shù)據(jù),并通過將數(shù)據(jù)與基于物理場的仿真模型相結(jié)合構(gòu)建3D打印過程的數(shù)字孿生模型?;跀?shù)字孿生模型,可以對打印參數(shù)進行進一步的動態(tài)規(guī)劃及調(diào)整。該技術(shù)將會是未來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人見解和看法,如有不足之處還請指出,多多討論。

總結(jié)

3D打印規(guī)?;倪M入應(yīng)用市場,需要軟件、硬件和材料全方位的匹配與結(jié)合。在過去近四十年的發(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足的進步,為應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。從設(shè)備方面,已經(jīng)形成了歐美和中國設(shè)備在國際市場同臺PK的局面,同時中國的設(shè)備廠商依然在進一步的提升產(chǎn)品質(zhì)量。


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


軟件卻從模型開始就定義了產(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)品在市場進行有效的推廣。


而3D打印的市場應(yīng)用進一步的提升到了對性能定制的需求,這是對軟件更高層次的要求,但同時也意味著更大的機遇。


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