专家访谈：ANSYS 首席技术专家通过模拟实现金属 3D 打印的成功

金属 3D 打印可能是一项棘手的业务。由于存在包括热变形、残余应力、开裂和翘曲在内的潜在问题，金属的印刷过程通常难以预测，更不用说控制了。这就是仿真软件的用武之地。

模拟软件可用于设计和模拟金属零件和工艺，目的是在零件发送打印之前最大限度地减少设计阶段的打印失败。

一家希望引领金属模拟软件市场的公司是 ANSYS .这家价值 10 亿美元的公司以其工程模拟软件而闻名，并凭借其 Additive Suite 进入了增材制造领域 软件、一系列金属模拟和先进的设计工具。

加上包括金属模拟公司 3DSIM 和材料公司 Granta Design 在内的多项战略收购，ANSYS 正在积极采取措施扩展其金属 3D 打印的模拟能力。

本周，我们与 ANSYS 的增材制造首席技术专家 Dave Conover 交谈，讨论该公司如何帮助工程师驾驭金属 3D 打印世界、金属 3D 打印市场的现状以及公司如何开始使用技术。

你能告诉我们一些关于 ANSYS 和你正在解决的问题吗？

ANSYS 是一家机械工程仿真软件供应商。过去，我们的客户使用我们的软件来模拟产品在现实生活中的工作方式。

但是随着增材制造的到来，我们发现不仅需要模拟产品由于增材制造过程的性质，以及如何使用它，还要模拟过程本身。这包括查看零件变形以及潜在的断裂和开裂等问题。

因此，作为我们设计连续性的一部分，我们想探索如何最好地模拟该增材工艺。

现在，我们在过程模拟方面提供了增材工具，并且我们也更多地参与了设计元素。这包括使用诸如拓扑优化之类的工具来设计添加剂的属性，这是让计算机根据其功能要求驱动零件设计的过程。

我们还研究了晶格结构之类的东西，除了使用添加剂之外，您无法通过任何其他方式产生。

您能否让我们更深入地了解 ANSYS 的 Additive Suite 以及该软件的工作原理？

当然。总的来说，我们提供的解决方案分为三个领域。

第一种是为需要使用机器打印零件的机器操作员或设计工程师开发的。他们需要一种工具，可以让他们快速了解构建中将产生的失真，并提供解决这种失真的方法——这被称为补偿。

所以我们的第一个解决方案是一个名为Additive Print的工具 .它面向从设计组接收 STL 文件并且其工作是成功打印的机器操作员。

其次，我们还为设计团队提供工具，该团队过去一直使用我们的产品来查看零件在现实中的表现。但现在我们为他们提供了模拟过程的工具，以便他们可以预先设计用于增材制造的零件。

我们提供的第三种解决方案称为添加剂科学 .这是为正在设计该过程的材料科学家和工程师提供的工具。他们需要了解机器并查看机器需要哪些设置才能获得良好的构造，以便我们的构造不会有很多孔隙并具有获得性能所需的正确微观结构想从一部分。

所以这是三种解决方案：一种用于设计增材零件的人员，一种用于运行机器的人员，最后一种用于试图找出机器上最佳参数的人员以获得成功的构建。

是否有特定行业从您的模拟软件中获益最多？

一个早期采用者当然是航空航天。

由于增材制造提供的轻量化以及行业对生产这些复杂、轻量级、多功能部件的需求，我们已经看到了早期的兴趣。

生物医学也是对金属增材制造越来越感兴趣的另一个领域。

但实际上，人们对金属 3D 打印的兴趣现在正在扩展到许多其他行业，这些行业正在寻求该技术以获得竞争优势或降低独一无二的成本，目前正在开发的小批量产品。

您提到了生物医学领域对金属增材制造的兴趣。生物医学领域如何使用该技术，模拟在哪些方面适用？

主要应用领域是通常由金属制成的假肢和植入物。在这里，定制是关键。您正在制作一个或一小批特定尺寸的特定患者。使用添加剂，这可以很容易地完成 - 只需为植入物、假肢或其他医疗设备进行特定设计。

当然，您在金属工艺中遇到的问题是你最终会失真。由于构建过程中发生的热变形，已设计的部件和从打印机中出来的部件不一定是一模一样的。

考虑到这一点并能够扭转这些扭曲很重要。模拟确保在您设计零件和打印零件时，您可以将其扭曲成您想要的形状，使其适合人脸或髋关节植入物或医疗程序中需要的任何地方。

现有的模拟软件是否有任何限制——该技术无法做到的任何事情？

嗯，实际制造是一个非常复杂的过程；发生了很多事情，激光击中这些粉末颗粒。甚至很难理解物理，更不用说在模拟软件中解释它了。

因此，当今所有的仿真软件都内置了一定程度的假设，从而限制了它可以提供的准确性。这可能是目前最大的缺点：它们不能像您希望的那样准确。

也就是说，这肯定是一个不断发展的领域，并且有大量的研究正在进行中并能够提出方法来更准确地模拟它。我们参与了世界各地的许多研究项目，试图推动这一进程以提高准确性。

金属 3D 打印的独特之处在于您正在制造制作零件时的材料。它与任何其他制造过程都非常不同。

因此，了解如何控制工艺参数以最终生产出您想要的材料 - 具有合适的抗疲劳性和合适的孔隙率和微观结构 - 是我们正在努力的事情允许您查看该级别的详细信息。

你认为我们离那有多远？

我们非常接近。我们将在明年左右推出能够进行此类模拟的产品。

虽然我们必须进行大量验证和校准才能有效，但我们相信我们对流程的了解足以做到这一点。这只是花时间改进软件的问题。

ANSYS 在 2017 年收购了金属仿真公司 3DSIM。是什么激发了当时深入研究增材制造的愿望？

很简单，我们的客户正在深入研究这项技术。我们意识到我们必须支持他们的努力：他们使用我们的工具来设计产品，现在他们正在转向增材制造。他们需要工具来帮助他们利用技术设计这些产品。

我们很早就意识到他们不仅需要帮助设计产品，还需要帮助理解技术和过程本身——例如扭曲和残余应力等。

当我们开始探索这个机会时，我们知道我们不会很快就能够自己有机地开发解决方案，尤其是在涉及微观结构的地方。

于是我们找到了3DSIM，一家已经开始涉足该领域的公司。他们开发了很多伟大的技术，拥有一支优秀的团队——这在当时对我们来说是天作之合。

ANSYS 最近还收购了位于剑桥的 Granta Design。这将对您的 AM 能力产生什么影响？

Granta Design 本质上是一家材料信息公司。您甚至可以说它们是材料数据的 PLM，因为它们为公司管理材料数据。

我们与增材制造相交的地方是有很多与 AM 过程相关的数据，例如机器设置，例如。 ANSYS 和 Granta Design 认为需要帮助公司控制和理解大量数据。

例如，我们一直在合作的一个领域是管理机器设置的能力。这意味着当一家公司进行打印模拟时，他们在打印机上使用的机器设置可以复制到数据库中，以便轻松下载并放入模拟程序中。

同样，通过 Granta 管理材料数据，可以将这些数据提取到模拟软件中。这使您可以确保为该公司和该材料使用正确的、经过验证的材料。所以我们在附加方面做同样的事情——管理这些数据。

是否有其他正在筹备中的合作伙伴关系？

我们当然一直希望在我们的产品流中建立生态系统。我们目前专注于几个领域。

一个是扩展我们的物理空间。我们最近收购了一家光学公司，因为我们进入了光学模拟——或者光模拟，如果你愿意的话。例如，对于自动驾驶汽车来说，这是一个非常重要的领域，我们积极参与其中。

在可加性领域，我们也在努力构建该生态系统。我们一直在关注客户如何使用我们的产品以及他们的痛点在哪里。从中，我们尝试看看我们是否可以帮助提供解决方案，无论是我们可以有机地做的事情，还是通过收购或合作伙伴关系来做的事情。

展望未来，我认为肯定会有更多的事情发生，因为有了 AM，公司需要将如此多的参与者和部件组合在一起才能真正实现有效的制造过程。因此，如果我们可以提供尽可能多的这些解决方案，使工作流程尽可能简单，那么每个人都会受益。

对于希望采用金属 3D 打印的公司，您有什么建议？

大公司确实拥有深入研究该技术的资源和能力。但如果你是一家小公司，那就有点难了。

也就是说，您可以做一些事情。

首先要弄清楚的事情之一是您可以生产哪些具有商业意义的部件和想法。许多 3D 打印服务机构都拥有这种专业知识，可以为您提供建议和制造零件。

使用这些服务提供商是让您了解这项技术的一种方式。因此，与其投资机器并试图理解它们（这是一项巨大的努力），您需要做的就是提出一些设计并让第 3 方供应商为您打印。

同样重要的是要认识到，您不会简单地拿起一台机器，插上电源，从第一天起就开始打印。建立对技术的专业知识和理解需要一些时间。当然，您可以参加很多课程，也可以利用很多专业知识和咨询服务。

最后，这也是一个耐心的问题。当然，机器正在变得越来越好，并且与五年前相比，该行业普遍有了更好的理解。最终，我们想要达到一个我们所要做的就是 只需像在正常制造过程中一样插入机器即可。我认为我们最终会通过 3D 打印到达那里，但我们还没有到达那里。因此，进一步开发该技术还需要一些时间。

您如何看待金属3D打印的现状？

看着它的发展真的很有趣。一开始肯定有很多炒作 - Gartner 的炒作曲线谈到了这一点，尤其是在早期采用者加入的情况下。

然后是平静阶段，行业认识到它不会就像最初看起来一样简单。

但我认为我们已经经历了兴奋阶段，现在我们已经经历了平静阶段。期望更加现实，并且对添加剂可以做什么以及采用它的速度有更好的理解。

我认为现在我们看到了热潮：在未来几年，我预计金属 3D 打印机的销量将继续攀升，可能不会像前一两年那样猛烈。但我们将看到所有行业的采用率稳步提高，而不仅仅是早期采用者，如航空航天和医疗。

换言之，我们肯定已经过了难关。

您认为加速采用该技术还需要解决哪些挑战？

有很多小块。我提到机器和机器背后的技术还需要成熟。

另一部分是了解工作流程并将其归结为一个严格的流程，该流程概述了我们如何从设计到生产和后期处理。但完全理解这需要更多时间。

接下来就是后期处理的问题了。诸如我们如何热处理这些零件以及何时对它们进行热处理等因素？目前在这个领域有很多工作正在进行，因为即使是这些东西也需要一些时间来发展和理解。

最终，整个 AM 生态系统是支离破碎的：有很多小解决方案和公司，您必须拼凑在一起来创建工作流和端到端解决方案。

这种整合将不得不继续。我认为这会让事情变得更容易，特别是对于没有能力购买一大堆不同的软件和硬件来获得端到端解决方案的公司。

有什么最后的想法吗？

最后我想说我们正在使用添加剂。

我们还没有完全到位：机器还没有到位，对整个过程的理解还没有到位。但令人兴奋的是，我们是 到达那里，逐渐。

在 ANSYS，我们正在与客户和供应商合作，并制定研究计划以进一步推动这一目标。我们计划继续改进我们的工具以使其更好。我们希望达到我们确切知道如何设计和建造增材制造的地步——它将成为像今天的机械加工一样的简单流程。

要了解有关 ANSYS 及其仿真解决方案的更多信息，请访问：https://www.ansys.com/