Altair 专家 Ravi Kunju 讨论 3D 打印的高级仿真软件

实现更简单、更快速的设计准备工作流程一直是 3D 打印行业不断追求的目标。增材制造设计是一个复杂的过程，具有独特的挑战和机遇。

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‍ 因此，需要相关工具来使工程师能够充分利用增材制造的设计灵活性。 Altair 就是开发这些解决方案的公司之一。 Altair 是一家全球科技公司，在产品开发、高性能计算和数据分析领域提供软件和云解决方案。

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在本周的专家访谈中，我们采访了 Altair 仿真驱动设计业务开发与战略高级副总裁 Ravi Kunju。通过 Ravi，我们可以详细了解最近推出的 Altair Inspire Print3D 软件工具、3D 打印仿真软件的现状，并探索 Altair 解决方案支持的一些令人兴奋的 AM 应用。

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您能给我们介绍一下 Altair 以及您正在解决的挑战吗？

我们是一家全球科技公司，在产品设计、产品开发、高性能计算和数据分析领域提供软件和云解决方案。

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我们的愿景，以及我们从业 30 多年来一直在做的事情，是通过我们的仿真技术、数据分析解决方案以及行业领先的设计优化解决方案来改变产品和业务决策。

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我负责 Altair 的仿真驱动设计产品。

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您最近启动了 Altair Inspire Print3D 软件。您能解释一下您提供的不同软件解决方案吗？

Altair Inspire Print3D 只是我们提供的众多解决方案之一。 Altair 多年来一直是优化领域的领导者。我们的客户使用我们的优化技术来创建适合各种制造方法的设计 - 无论是钣金成型、铸造、挤压还是注塑成型。他们还使用我们的技术来更好地了解性能要求并专门针对制造过程创建生成设计。在这种情况下，了解光谱的两端很重要。一是驱动设计的因素，二是一旦你有了想要制造的设计就会发生什么。这些元素汇集在我们的平台上。我们利用 Inspire 平台所做的事情之一就是预先引入仿真驱动的设计流程，使设计人员能够轻松理解和驱动设计，同时完全了解制造流程。由于将制造过程与设计要求分开并不明智，因此我们通过我们的平台将所有这些都放在一个环境中。

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因此，Inspire Print3D 专注于两件事。一是，在Inspire平台下，它允许我们的用户专门为任何增材制造工艺生成设计；使用特定的制造规则（约束）来驱动设计以满足制造过程。其次是考虑所有性能要求并将它们结合起来，并使用先进的数值方法自动生成选择性激光熔化 (SLM) 或熔融沉积 (FDM) 或粘合剂喷射 (MJF) 或线弧增材制造 (WAAM) 的设计。

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因此，Print 3D 模块不仅允许您生成设计，还有助于虚拟验证您创建的新设计的性能。

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通过 Altair 的 Inspire Print3D 软件进行模拟 [图片来源：Altair]

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Print3D 的第一个版本允许用户模拟选择性激光熔化过程。该环境中嵌入了先进的热机械模拟，以评估 3D 打印过程中可能出现的任何制造问题，例如与之相关的变形、高应力和破裂。设计人员可以生成设计并添加支撑结构，并在打印之前在一个环境中解决所有问题。我们看到的最大好处是，今天，如果你看看客户在增材制造中所做的事情，就会发现他们通常采用次优方法来创建最佳设计。此外，一旦他们提出了设计，他们就会尝试放入支撑结构，以确保他们能够打印零件，然后发现有问题。对于所有这些步骤都有单独的软件解决方案。

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Altair 使用户能够在单一环境中设计和评估零件，从而消除了所有这些问题。众所周知，当今金属增材制造相关成本的大约 45% 可归因于支撑去除。有效地使用我们的设计规则（约束）允许最终用户创建具有最小支撑或零支撑的设计。我们还允许用户创建支撑结构，通过热机械模拟了解其有效性；其中我们可以模拟构建、冷却、支撑去除并预测随后的回弹和相关的变形，并避免下游故障。这就是 Inspire Print3D 的作用：它允许最终用户在单一环境中构思、评估和验证您的设计。因此，Altair Inspire 可帮助我们的最终用户创建轻量级高性能设计，同时提高生产力。

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您如何描述增材制造设计、仿真和拓扑优化软件的当前状态？

Altair 多年来一直是拓扑优化和生成设计领域的领导者，不仅适用于增材制造，而且适用于所有制造工艺。我们有超过 5,000 名客户每天使用我们的产品来创建最佳设计。但并非所有生成设计工具都是相似的。我们拥有解决关键问题的最佳数值方法，并且我们是唯一一家将不同的性能标准、载荷工况结合在一起，并将其与制造约束相结合，以创建针对该设计流程的设计。为了驱动和生成设计，需要充分理解两件事：性能要求和制造过程。例如，如果您正在进行金属铸造，并且不想使用任何型芯，因为这样会造成牺牲且成本高昂，或者如果您想创建没有底切的形状，以便有效地从模具型腔中去除图案；正确的制造限制必须与性能制造相结合，以产生轻量化设计。有很多工具可以生成有机设计，人们往往认为这就是所需要的全部。但事实上，这只是一个开始，因为您需要确保了解制造流程以及给定流程的最佳设计应该是什么。如果您不了解制造要求，仅仅生成最佳形状是不够的。在生成设计领域，您可以使用许多数值方法；例如，您可以扰动一些设计变量并生成数千种设计，然后说：“我将改变所有这些不同的形状和尺寸，这将给我一千种设计，评估每一种，然后确定最好的一种。”对于某些组件级优化来说，这可能不是最理想的、耗时且昂贵的。您可能得不到好的解决方案。如今，在仿真方面，增材制造主要局限于原型设计。但 Altair 一直致力于帮助我们的客户转变流程，以制造更多一次性零件。我们可以探索其他方法，例如粘合剂喷射吗？我们是否可以探索混合铸造，即进行砂印，然后将铸件倒入砂模中？我们可以探索其中一些选项，将您的能力转化为产能吗？

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我们一直致力于深入了解独特的制造要求。今天，我们是使用最新制造方法设计来制造高性能轻量化零件以及模具和装配的领导者。

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您能谈谈一些已经实现的应用吗？部分归功于您的设计软件？

最早的采用者是卫星和航空航天公司，因为它们的体积不大，但需要高度优化和轻量化的设计。我们为 EADS 设计了望远镜支架和其他带有 EOS 的支架，这些支架需要复杂的载荷。

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我们还与汽车公司合作，包括宝马、福特、通用汽车等汽车公司以及世界各地的许多其他公司，这些公司正在探索增材制造作为原型制作的可行选择。如果我把它剖开，我们不仅会看到直接 3D 打印，还会看到大量的混合制造，即传统制造与增材制造相结合。我的意思是，例如，铸造型芯和模具的砂型 3D 打印。

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第二个领域是塑料注射成型模具。重要的是，形成型腔的模具组件在加压循环期间不会分离而导致需要去除的毛边。整个模具可以使用衍生式设计进行结构优化，以保持负载下的完整性。除了结构优化之外，我们还可以通过环绕需要快速冷却的区域的随形冷却线来优化排热。 这种有机结构非常适合 3D 打印。我们与 PROTIQ 合作研究这些示例，循环时间几乎可以从 9 秒缩短到 3 秒。因此，如果您每天生产 100 万个零件，那么您每天就可以生产 300 万个零件。这意味着您可以将生产率提高三倍，优化注塑成型工艺的模具。

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我们还与机器人行业合作，该行业有许多应用，其中设计优化和 3D 打印用于机器人臂端夹具。夹具往往会很快磨损，因此需要立即更换，以防止装配线中断。对于超大型结构，我们最近与 MX3D 合作开发了 3D 打印机械臂。 MX3D 是一家 3D 打印公司，使用专有的基于线弧的技术来生产大型金属结构。

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MX3D 的 RobotArm 在 Altair 软件的帮助下进行了优化 [图片来源：Altair]

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我们的软件支持 MX3D 来优化机械臂设计，减少超过一半的原始重量，同时考虑打印限制。在这个项目中，我们的工程师使用生成式设计定制技术为 3D 打印机器人手臂设计出最有效的形状。还有许多国防应用可以从 3D 打印中受益。例如，如果战车的一部分损坏，您希望能够立即在本地打印该部件，而不必等待替换部件到达。对于您可能没有图纸的旧零件尤其如此。我们的解决方案也应用于医疗 3D 打印领域。例如，矫形器公司 Andiamo 正在使用 3D 打印来制造更合身的矫形器。制作矫形器的传统方法是用石膏包裹躯干的肢体，然后将其切断并进行手工制作。 Andiamo 的流程不再需要石膏模型，而是从身体的数字 3D 扫描开始，创建一个高度精确的模型来开始设计。该过程还涉及大量模拟，以确保完美适合孩子。我们还看到人们对粘合剂喷射等 3D 打印工艺越来越感兴趣。我们正在与该领域的一些合作伙伴合作，例如 Desktop Metal 和 ExOne。我们在 Formnext 上展示了粘合剂喷射应用，在那里我们演示了使用 FDM、SLM、混合铸造和粘合剂喷射工艺创建自行车支架的整个过程。

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从更广泛的角度来看该行业，您认为 2020 年的一些关键发展是什么？

该行业发展非常快。每当我参加增材制造活动时，很明显打印机制造商和材料供应商的数量几乎逐年翻倍。随着竞争的加剧，我非常肯定成本将会降低，这对目前增材制造方面来说是一个很大的威慑。玩家数量的增加可能会对最终消费者有所帮助。

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以牙科行业为例。它是最成熟的之一，因为如果消费者想要修复新牙冠，他们的牙医只需对牙齿进行扫描，并在 2-3 天内发送扫描结果进行打印。其他行业也需要实现这一循环。这也是大家在 2020 年继续努力的目标。

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您认为为了进一步加速 3D 打印的采用还需要克服哪些挑战？

有许多挑战相互交织。第一是成本。成本显然与零件的尺寸和生产量有关，这决定了应使用哪种类型的制造方法。例如，即使在添加剂中，您也可能想要使用选择性激光熔化或金属粘合剂喷射。第二个方面是认证。我们如何根据零件是承载零件还是安全关键零件来认证零件？重复性水平是多少？如今，我们面临的挑战是成本无法控制且重复性低。如果某个零件是在特定打印机中打印的，那么如果该零件由不同的打印机在不同的位置打印，是否可以达到相同的规格？这些部件表现完全相同的可能性有多大？这就带来了如何准确模拟微观层面上发生的物理现象的挑战。这就提出了一个问题：用户是否可以确信最终部件可以在不同平台和位置上一致地打印。在建立全行业标准和材料资格方面需要做很多工作。材料供应商、打印机制造商、软件提供商——每个人都必须共同制定某些标准，确定轻载或重载安全关键部件的可接受公差；在满足内部孔隙率和/或外部表面质量方面。如果你回顾一下历史，无论是铸造、锻造还是钣金，多年来它们都有一个与之相关的协会，例如美国铸造协会。有许多组织致力于将所有人聚集在一起并创建标准。如今，增材制造市场在各个领域都呈爆炸式增长，但最终，所有这些都需要齐心协力，共同制定标准，并确保每个行业参与者都达成共识。

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最后，Altair 未来一年会发生什么？

我们将继续为我们的用户开发更多的模拟解决方案。至于增材制造工艺，我们将继续开发解决方案，帮助技术用户验证工艺并了解随之而来的不确定性。最终，我们专注于三个主要支柱：了解性能、通过结合两件事来创建设计；性能以及制造工艺本身。它们都必须齐头并进，我们将继续履行我们的使命，帮助客户尽可能准确地验证性能和制造流程，以推动设计。我们将继续将物理学与高性能计算和数据相结合。我们必须将所有这些放在一起，因为有些问题可以通过理解物理学来解决，而有些问题则必须通过机器学习来解决。我们将努力结合我们正在开发的所有技术，为客户提供更高效、更有利可图的服务，最终目标是帮助他们做出更好的决策和性能更好的产品。