4 可以用软件解决的增材制造挑战

当谈到采用增材制造时，大多数公司会发现这不是简单地购买机器并立即生产零件的情况。

对于 3D 打印的所有好处，成功实施该技术意味着要考虑许多因素。将使用哪些设计工具？您将如何确保无缝的工作流管理流程？那么安全呢？

对于希望将 3D 打印用于快速原型制作以外的目的的公司来说，试图找到所有这些问题的答案有时会令人生畏。幸运的是，已经出现了软件解决方案来帮助解决 AM 工作流程各个阶段的这些挑战。这些解决方案使 3D 打印超越其局限性，成为真正的数字化制造技术。

下面，我们将探讨各种软件目前如何帮助应对许多公司在首次实施 AM 时面临的四个关键挑战。

1.添加剂设计

增材制造正在扩大工业设计的可能性。当与 3D 打印技术相结合时，拓扑优化和衍生式设计软件等先进的设计工具有助于克服传统的设计限制，带来晶格结构和零件整合等新的可能性。

也就是说，增材设计对许多工程师来说仍然是一个挑战。

造成这种情况的一个原因是倾向于通过传统制造的视角来看待增材制造的设计。然而，简单地将传统设计方法应用于增材制造是行不通的，因为每种方法的要求都大不相同。

在为增材制造设计时，需要考虑很多因素，包括支撑结构（有多少？它们应该放置在哪里？）和零件方向，仅举几例。这些和其他设计元素出现的问题可能会导致生产和后处理阶段的进一步低效。

以支撑结构为例。支撑用于防止零件内的变形和坍塌等问题。特别是对于金属 3D 打印，支撑几乎始终是设计过程的重要补充。

在为增材制造设计时尽量减少支撑结构的数量很有用，因为这有助于减少打印和后处理时间，以及使用的材料量。减少支撑数量的方法之一是重新设计零件，使其需要尽可能少的支撑。但是，如果手动完成，重新设计零件以消除支撑或将它们集成到产品本身可能是一个非常耗时的过程。

为了使流程更容易一些，Autodesk、Additive Works 和 Materialise 等公司的解决方案正在提供使用软件自动创建支持的方法。

例如，Materialise 的 e- Stage for Metal 软件可以自动生成金属部件的支撑结构。据该公司称，设计师可以将生成支撑的时间减少 90%。由此产生的支撑很薄且易于移除，据报道可以将金属支撑移除所花费的时间减少 50%。

找到正确的零件方向是设计和构建准备过程中面临的另一个常见挑战。

正确定向和嵌套（在构建平台上优化排列部件）部件的优势在于有助于实现最佳打印时间、表面质量和材料消耗的组合。

软件解决方案也开始出现，开发用于帮助准备打印构建以进行打印（也称为“构建准备”）。

构建准备工具使用户能够优化 3D 设计，为打印做好准备。工程师可以使用构建准备工具在构建板上建立最佳部件方向和位置，设置打印参数并在打印之前识别任何设计问题。

上述公司提供构建准备功能作为其设计和 CAD 产品的一部分。除此之外，一个新颖的例子来自伦敦的初创公司 Betatype。该公司开发了自己的方法来优化金属 3D 打印的打印准备过程。其数据处理平台 Engine 使用了多种优化算法，该公司使用这些算法来缩短打印时间并最大限度地提高机器利用率。

Betatype 最近的一项案例研究提供了对其用于骨科植入物生产的优化模型的一瞥。

最令人兴奋的方法之一是使用特殊的晶格节点支撑将大量植入物堆叠在一起。这种方法使公司能够充分利用 3D 打印机的整个构建空间。此外，它还支持使用喷砂技术去除支撑，无需手动去除支撑。

在一次构建中 3D 打印更多零件并减少后处理需求是一个成功的公式，有助于减少金属 3D 打印的单件成本，同时实现更快的机器摊销。 etatype 的例子说明了如何在强大软件的帮助下实现这一目标。

增材制造的设计优化过程可能非常苛刻。然而，借助现代设计和构建准备软件，设计师和工程师可以找到最佳设计、方向和支持策略，以帮助他们实现一致且具有成本效益的生产。

2.金属3D打印的试错

金属 3D 打印正在迅速发展，但该技术仍需要相当多的反复试验才能成功地 3D 打印金属部件。为了在生产中可行，金属增材制造工艺必须是可预测和可重复的。然而，现实是失败率仍然相当高。

在金属 3D 打印方面，有许多变量会影响零件的质量，包括材料质量、层厚、激光或光束功率和气体流量。

通常情况下，工程师需要尝试不同的打印参数来制定正确的组合，使他们能够成功完成打印过程。然而，这使得首次成功地 3D 打印金属零件变得困难，导致大量耗时且成本高昂的试验。

模拟软件是增加 3D 打印金属零件成功机会的一种方法。仿真可用于对零件在一系列条件下的行为进行建模。但是随着金属 3D 打印的出现，模拟现在越来越多地用于提供对制造过程本身的洞察。

我们以ANSYS为例。这家工程软件公司提供了一系列模拟和设计工具，旨在帮助工程师成功制作 3D 打印金属零件。其 Additive Suite 产品允许用户在打印过程开始之前分析零件的微观结构属性和行为。

“随着增材制造的到来，我们发现不仅需要模拟零件由于增材制造过程的性质，产品以及它将如何使用，而且还可以模拟过程本身。这包括查看零件变形以及潜在的断裂和开裂等问题，”ANSYS 的 Dave Conover 说。

模拟打印过程允许公司构建模型，查看构建过程的不同阶段。例如，这样的模型可以捕捉材料如何在机器中加热、熔化和固化。这些由仿真软件生成的信息随后可用于预测材料的结构、孔隙率、变形和残余应力，使工程师能够微调工艺参数以避免潜在问题。

软件公司 Simufact 展示了如何应用虚拟工程来减少发动机罩铰链制造过程中的试验步骤数量。在与 EDAG 和 voestalpine 的合作项目中，Simufact 的软件用于在生产前模拟打印组件中的变形和残余应力。

通过利用模拟，工程师能够虚拟运行构建过程并查看零件的真实变形行为。生成的仿真数据使工程师能够获得宝贵的见解，了解如何通过反复试验打印来补偿铰链的变形，而不会浪费时间和材料。

3.管理工作流程

无论您是作为服务机构为客户打印零件还是内部使用 3D 打印的公司，组织和管理生产工作流程都至关重要。然而，许多公司正在使用效率低下的工具来处理重要任务，例如管理请求、计划和安排生产、跟踪零件和管理交付时间表。

虽然有些同时使用多种软件解决方案，包括 CAD、PLM 和 ERP，但有些则依赖于通用项目管理工具，如 Trello 或简单的 Excel。无论选择哪种系统，都不可避免地会导致许多日常挑战。

例如，生产经理在使用电子表格时实时了解生产状态的能力有限。同样，使用不同的软件工具通常会导致手动重新输入数据，占用大量时间。

如果没有适当的端到端工作流系统，公司将难以衡量绩效，估计交货日期，最重要的是，估计规模。这是特别重要的一点，因为当生产能力增长时，对正确的软件架构的需求也会随之增长。

为了缓解工作流管理中的这些痛点，应考虑针对增材制造的特定需求量身定制的工作流软件。高效的端到端工作流程平台有助于简化从下订单到后期生产检查的步骤，使公司能够全面了解增材制造工作流程。

一个典型的例子是Bowman Additive Production。轴承制造商 Bowman International 的 AM 部门正在使用 AM 工作流程软件来管理其 3D 打印轴承生产过程的每个阶段。

例如，Bowman 团队可以直接通过其软件平台自动接收请求，而不是像过去那样仅通过电子邮件。此外，该公司使用该软件将零件分配给构建并检查每个构建的状态，跟踪机器的工作负载和可用性。

随着生产能力的不断增长，采用工作流程自动化软件使 Bowman 能够显着简化生产过程，实现更高水平的效率和吞吐量。

4.确保数据安全

随着越来越多的公司采用增材制造进行生产，保护知识产权和保护 AM 数字线程变得前所未有的重要。

3D 打印使公司能够通过零件的数字设计维护虚拟库存，这些零件可以发送到全球任何工厂，并在现场和需要时制造。通过这样做，公司可以减少库存，降低存储成本。

然而，增材制造的全数字生态系统引发了一些网络安全问题。

数字文件包含有关如何设计和生产组件的宝贵数据。当此类文件以数字方式分发时，防止数据被盗或篡改变得具有挑战性。这可能导致非法重新分发和复制产品，最终影响公司知识产权的完整性。

为了解决这些紧迫的问题，正在开发特定于 AM 的安全软件解决方案。例如，LEO Lane 是一家提供基于云的解决方案来保护数字资产的公司。

通过对设计文件进行加密，未经授权无法访问设计。 IP 所有者还可以将指令内置到加密文件中，在每次生产时控制其零件和产品的质量和数量。

这是通过指定打印设计的机器类型、材料类型和允许的打印数量来实现的——从而确保收到文件的一方不会打印设计分多次。

AM 软件：生产成功的关键要素

正如我们所见，在采用 3D 打印技术时，软件与硬件或材料一样重要。

对于成功利用增材制造的公司而言，该技术必须证明是可重复、安全且易于使用的。这些都是挑战，AM 软件可能正是解决这些挑战的最佳选择。

从新的设计工具到简化和安全的工作流程，软件将在帮助公司建立强大的增材制造设施方面发挥关键作用，使他们能够利用增材制造提供的巨大机会。