3D 打印软件：实现真正的数字化生产

随着行业的不断成熟，3D 打印软件的功能也在不断增强。

从历史上看，3D 打印软件领域往往落后于硬件和材料领域。然而，近年来令人兴奋的发展表明，该细分市场正在迅速迎头赶上，使公司能够更快地创建复杂的设计、提高打印成功率、确保零件质量并更有效地管理工作流程。

软件是 3D 打印可行生产的关键，我们来看看使这成为可能的发展。

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设计和 CAD 软件：创建特定于 AM 的工具

直到最近，计算机辅助设计 (CAD) 软件还没有针对 3D 打印的设计要求进行优化。

增材制造 (AM) 具有设计复杂性更高的优势。然而，这些好处伴随着对不同设计方法的需求，通常称为 AM 设计 (DfAM)。

为 AM 设计提供了传统设计方法中没有的独特挑战和机遇。它需要创建新的设计实践，旨在减少材料和探索复杂的设计特征。

因此，需要相关的工具才能让工程师充分利用增材制造的设计灵活性。

慢慢地，这些工具已经开始出现在市场上。最大的推动力来自大型软件公司，如 Autodesk、Altair、Dassault Systems 和 PTC，它们一直在其 CAD 解决方案范围内开发 AM 设计功能。

例如，作为对 AM 技术重大投资的一部分，Autodesk 正在通过其 Netfabb 套件帮助 3D 打印的设计准备。

Netfabb 使工程师能够从各种 CAD 格式导入、分析和修复模型，并确定需要支持的区域。 Netfabb 还可用于半自动生成支撑结构和修改模型，以便针对生产进行优化。

DfAM 也被认为是 PTC Creo CAD 平台的下一个前沿领域。在新版本中，Creo 6.0 为创建轻量化特征所需的专业几何建模提供内置支持，包括随机泡沫、共形点阵、公式驱动点阵和自定义点阵。

此外，据该公司称，3D 打印构建方向和支撑结构可以在 Creo 6.0 中进行分析和优化，从而节省构建生产和打印后处理的时间。

高级设计软件

少数公司也在开发专门用于高级工程的 CAD 解决方案。一个例子是 nTopology，它最近发布了 nTop 平台，开发用于解决几何成为瓶颈的工程问题。

作为基于计算的解决方案，nTop 集成了 CAD、仿真和计算机辅助制造 (CAM) 功能，可帮助工程团队创建复杂且优化的几何形状。

例如，工程师可以使用 nTop 来减轻重量并最大限度地提高零件的性能。他们还可以应用多种负载条件并针对各种性能标准进行优化，包括应力、位移、刚度和重量——这个过程被称为拓扑优化。

同样有趣的是，该软件能够对零件进行切片，从而避免容易出错的 STL 文件并将制造数据直接导出到机器。

另一家推动 3D 打印设计软件发展的公司是 Hexagon。今年早些时候，它收购了德国 AM 拓扑优化软件供应商 AMendate。 AMendate 现在已添加到 Hexagon 的 MSC 软件部门，从而推出了 MSC Apex 生成式设计软件。

新的设计优化解决方案通过设计流程自动化并结合嵌入式制造知识来提高质量。

据说该软件可以生成零件设计，并在几个小时内为 AM 做好准备——这只是通常所需时间的一小部分。与替代拓扑优化解决方案相比，这将生产力提高了 80%。

“虽然确实存在许多用于设计生成的软件解决方案并且目前在市场上，但它们的功能存在局限性。例如，它们使用起来非常耗时。他们还缺乏完全自动化，并且可以创建的设计对于现实生活中的业务挑战来说不够复杂，”AMendate 的联合创始人、现任 MSC 的生成设计总监 Thomas Reiher 表示。

考虑到 AM 工艺开发的先进设计工具将是克服这些挑战和实现更多创新 3D 打印用途的关键。

介绍 STL 替代方案

为了能够 3D 打印设计的模型，工程师通常需要将原始 CAD 文件转换为 STL。

STL 是目前最流行的 3D 打印文件格式，它将三维对象描述为一系列链接的三角形（多边形）。尽管它很受欢迎，但文件格式有很多限制，当使用 3D 打印设计复杂的生产零件时，这一点变得更加明显。

例如，STL 不会读取您原始设计的颜色、纹理和其他设计信息。

此外，对 STL 文件所做的更改不会自动反映在 CAD 的原始设计文件中，这给设计过程增加了一层低效率。

最后，在对复杂几何图形进行建模或增加三角形数量以提高分辨率时，存在将 STL 文件的大小急剧膨胀到 3D 打印机无法读取的程度的风险。

为了克服这些挑战，业界正在努力创建替代文件格式。迄今为止，最有希望的是由 3MF Consortium 开发的 3MF。

3MF 使 3D 打印机能够全保真读取 CAD 设计文件，其中包含原始设计师想要的颜色、纹理和其他设计数据。它还意味着可扩展并适应新兴的 3D 打印技术。

仿真软件：预测错误以提高可重复性

仿真软件仍然是 3D 打印软件开发的重点。这样做的关键原因是有可能减少甚至消除目前用于实现可重复 3D 打印结果的试错方法。

模拟通常用于设计阶段，以数字方式再现材料在打印过程中的行为。这意味着仿真结果可以深入了解如何优化设计以防止构建失败。

如今，大多数模拟解决方案都面向金属 3D 打印。这是因为该技术带来了许多复杂的技术挑战。有很多变量会影响打印过程中的构建，例如，激光的路径和强度以及支撑结构的设计。

模拟有助于分析金属 3D 打印过程中发生的复杂现象，并使用模拟数据来规划构建，选择最成功的零件方向和支撑策略。

2019 年，有许多 AM 仿真解决方案，从 ANSYS 和西门子等大公司，到仅提供 AM 专用解决方案的较小软件公司，例如 Additive Works。

工程软件公司 ANSYS 就是一个例子。自 2019 年初以来，该公司发布了三大更新，其中包含许多新功能。

一个突出的更新是 ANSYS Additive Prep。该工具是 ANSYS Additive Suite 和 ANSYS Additive Print 软件包的一部分。

其功能之一是能够生成热图，帮助工程师预测 AM 构建方向如何影响支撑结构、构建时间、变形和整体打印性能。

在最新的 R3 版本中，ANSYS Additive Prep 还通过新的构建处理器得到了增强，允许用户将构建文件直接导出到 AM 机器，从而无需使用 STL 文件。还有一个工具可以预测 2020 年热处理的影响。

最近，Altair 推出了一种名为 Inspire Print3D 的全新 AM 制造模拟解决方案。

该软件专门针对选择性激光熔化 (SLM)，据称可提供快速准确的工具集来设计和模拟制造过程。

主要软件功能包括在与设计零件相同的环境中生成支撑结构、先进的热机械模拟以减少后处理并避免代价高昂的错误、识别大变形、过度加热和分层，以及验证和创建文件的能力用于3D打印。

在聚合物3D打印领域，2013年被MSC软件公司收购的e-Xstream是少数几家专注于聚合物和复合材料增材制造技术的公司之一。

该公司开发了 Digimat-AM 软件解决方案，用于模拟 FDM 和 SLS 过程。该程序有助于预测打印问题，如翘曲和补偿失真。此外，最新版本的 Digimat 2019.0 还为 DSM、Solvay Specialty Polymers 和 Stratasys Inc. 的材料系统提供了纤维增强材料模型的模拟。

作为长期目标，e-Xstream 将依靠其在材料建模方面的专业知识来解决多材料打印问题。

能够在第一时间正确地 3D 打印零件是推动该技术被更多采用的关键因素之一。将来，我们可能会看到模拟软件与新兴的过程监控功能相结合。这将使工程师能够通过实时构建数据确认预期的模拟结果，最终实现更高的打印成功率。

增材制造执行系统：实现工作流管理和可追溯性

在过去的几年里，3D打印已经开始从用于原型制作和小批量制造的过程转向大批量生产。这种转变表明需要可以帮助公司管理不断增加的产量并更有效地扩展其 AM 运营的软件。

这导致了专门为 AM 行业需求而开发的制造执行系统 ​​(MES) 软件的兴起。

MES 软件有助于连接 AM 工作流程中的各个点，无论是请求管理、生产计划还是后处理计划。 MES 的首要目标是提供成功的 AM 生产所需的控制，最大限度地提高机器利用率，引入更高的自动化并增加可追溯性。

推动 MES 软件细分市场增长的一个关键趋势是需要一个端到端平台，该平台足够灵活，可以根据 AM 部门的个性化需求进行定制。目前只有极少数公司提供这样的解决方案。

介绍机器连接

随着公司越来越多地将其运营数字化，机器和机器数据的联网也正成为一项主要要求。 MES 软件将在实现这一目标方面发挥更大的作用，因为它允许不同的 3D 打印机连接在一个平台上。

例如，AMFG 提供与一系列 AM 系统（如 EOS 和 HP）的机器连接。这意味着 AM 系统用户将能够使用 AMFG 的 MES 管理他们的整个 AM 操作，同时通过软件平台直接与他们的机器连接。

在单一平台内连接机器将实现无缝数据流，这将提供帮助推动 AM 走向工业化所需的可追溯性和可扩展性。

MES软件也在逐步整合其他软件的功能。例如，一些解决方案提供修复 STL 文件和准备打印模型的功能。

另一个例子是质量保证 (QA) 管理功能的集成。例如，AMFG 的 MES 平台允许用户导入文档，无论是报告、数据表还是 3D 图像，并将它们与物理 3D 打印部件进行比较，从而确保满足 QA 要求。

与设计软件一样，MES 平台也适合与人工智能 (AI) 解决方案搭配使用。

3D 打印工作流程的数据量很大，这意味着有很多关于订单状态、机器和材料数据的信息，这些信息不仅可以（并且应该）进行监控和收集，而且还可以进行分析和采取行动。

集成人工智能算法使该软件能够分析收集到的数据并建议可以改进生产操作的地方。最终，它可以更好地了解关键瓶颈所在以及如何优化流程以实现更高的生产力。

质量保证软件

许多公司正在努力验证 3D 打印部件的资格，以便能够在生产中使用它们。目前，认证符合 QA 要求的零件的两种最常见方法——破坏性测试和 CT 扫描——既昂贵、耗时、浪费，而且并不总是能产生准确的结果。

协助 QA 过程的更有效方法是通过过程中监​​控。通常，过程中监控涉及将传感器和摄像头放置在 3D 打印机内的组合，以及可以分析传感器收集的数据并以有意义的方式传送数据的软件。

提供这种组合的一家公司是 Sigma Labs。其名为 PrintRite3D® 的软件包具有 INSPECT、CONTOUR 和 ANALYTICS 模块。例如，INSPECT 模块可以测量熔池（激光加热粉末时产生的熔融金属液体池）以检测和预测异常。

Sigma Lab 的 PrintRite3D 软件是为数不多的第三方解决方案之一。在大多数情况下，金属 3D 打印机制造商在内部开发 QA 软件。然而，与 QA 软件集成的机器数量仍然低得令人失望。

例如，EOS 3D 打印机具有 EOSTATE MeltPool 工具和 VELO3D 的 Sapphire 3D 打印机，它们最近与新的 Assure 软件集成。

质量保证正在成为 AM 世界的新口号，因为公司希望加速零件验证并最终减少印刷过程中的变化。这意味着应该会出现更多的 QA 软件解决方案——而这种趋势已经开始慢慢形成。

聚光灯下的 AM 软件：快速成熟的细分市场

与硬件相比，AM的软件开发历来较慢。 AM 软件公司的数量也少得多，这对这一细分市场的创新水平产生了影响。

然而，随着行业的不断成熟和市场上出现更先进的解决方案，这种情况在过去几年发生了巨大变化。从 CAD 到模拟再到工作流程解决方案，该软件的开发旨在以更快、更轻松的方式将 AM 带入生产。

展望未来，这一进展的步伐可能会加快，帮助 AM 成为真正的数字化制造解决方案。