Altair 专家 Ravi Kunju 探讨面向 3D 打印的先进仿真软件

实现更简单、更快的设计准备工作流，一直是 3D 打印行业持续追求的目标。面向增材制造的设计是个复杂过程，有其独特挑战和机遇。

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‍因此，需要相关工具让工程师充分利用增材制造的设计灵活性。Altair 就是开发此类解决方案的公司之一。Altair 是全球科技公司，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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本期专家访谈，我们与 Altair 仿真驱动设计业务发展与战略高级副总裁 Ravi Kunju 对话。了解刚推出的 Altair Inspire Print3D 软件工具、3D 打印仿真软件现状，及 Altair 解决方案赋能的激动人心增材制造应用。

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能否介绍一下 Altair 及你们解决的挑战？

我们是全球科技公司，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，也是 30 多年来所做的，是通过仿真技术、数据分析解决方案、行业领先的设计优化解决方案，转变产品和商业决策。

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我负责 Altair 的仿真驱动设计产品。

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你们最近推出了 Altair Inspire Print3D 软件。能否解释你们提供的不同软件解决方案？

Altair Inspire Print3D 只是我们提供的众多解决方案之一。Altair 在优化领域领先多年。客户用我们的优化技术为各类制造方法创建设计——无论钣金成型、铸造、挤出或注塑成型。他们也用我们技术更好理解性能要求、为特定制造工艺创建生成式设计。此背景下，理解两端很重要。一端驱动设计，另端是有了设计想制造后发生什么。这些要素在我们平台汇聚。我们在 Inspire 平台所做之一，是将仿真驱动设计流程前置，让设计师极易理解并驱动设计，同时完全知晓制造工艺。既然不宜将制造工艺与设计要求分离，我们通过平台将它们置于单一环境。

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所以，Inspire Print3D 聚焦两件事。一是，在 Inspire 平台下允许用户为任意增材制造工艺生成设计；使用特定制造规则（约束）驱动设计满足制造工艺。二是纳入所有性能要求并结合，用先进数值方法自动生成针对选择性激光熔融 (SLM)、熔融沉积 (FDM)、粘结剂喷射 (MJF) 或电弧丝增材制造 (WAAM) 的设计。

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所以，Print3D 模块不仅允许生成设计，还帮助虚拟验证新创建设计的性能。

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Print3D 首发版允许用户仿真选择性激光熔融工艺。先进热力学仿真嵌入此环境，评估 3D 打印中可能出现的制造问题，如变形、高应力及相关断裂。设计师可生成设计、添加支撑结构、修复所有问题，所有在单一环境内、打印前完成。我们看到的最大益处是，看今天客户在增材制造中做什么，他们通常有次优方法创建最优设计。此外，有了设计，他们尝试加支撑结构确保可打印，随后才发现问题。所有这些步骤有单独软件解决方案。

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Altair 通过让用户在单一环境设计和评估零件消除这一切。众所周知，今天金属增材制造约 45% 成本归因于支撑去除。有效使用我们的设计规则（约束）允许终端用户创建极少或零支撑的设计。我们也允许用户创建支撑结构、通过热力学仿真理解其有效性；可仿真构建、冷却、支撑去除、预测后续回弹、相关变形并避免下游失效。这就是 Inspire Print3D 所做：让终端用户在单一环境构思、评估、验证设计。Altair Inspire 从而帮助终端用户创建轻量化高性能设计，同时提升生产力。

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如何描述面向增材制造的设计、仿真和拓扑优化软件现状？

Altair 在拓扑优化和生成式设计领域领先多年，不只针对增材，而是所有制造工艺。我们有 5000 多客户每天用产品创建最优设计。但非所有生成式设计工具相同。我们有最佳数值方法解决关键问题，且是唯一将不同性能标准、工况组合并与制造约束结合、创建极针对该设计工艺设计的公司。为驱动生成设计，需深刻理解两件事：性能要求和制造工艺。例如做金属铸造不想要牺牲型芯（昂贵），或想高效从模腔脱模无倒扣；正确制造约束必须与性能制造结合生成轻量化设计。市面有很多工具能生成有机设计，人们倾向以为这就是全部所需。但事实那只是开始，因为你要确保理解制造工艺、给定工艺的最优设计长什么样。若不理解制造要求，仅生成最优形状不足够。生成式设计空间有许多数值方法；例如扰动设计变量生成数千设计，然后说"我要变化所有这些形状尺寸得上千设计，评估每个再识别最优"。这对某些零件级优化可能次优、耗时、昂贵。可能得不到好解。仿真端今天，增材制造主要局限于原型。但 Altair 一直在帮助客户转型流程、不只造单件。能否探索粘结剂喷射等其他方法？能否探索混合铸造，如砂型 3D 打印再浇铸？能否探索这些选项将能力转化为产能？

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那是我们深度理解独特制造要求的追求。今天我们是创建高性能轻量化零件、工装和装配的领导者，使用最新面向制造设计方法。

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能否谈谈部分得益于你们设计软件实现的应用？

最早采用者是卫星和航空航天公司，因为他们无大批量，但需要高度优化轻量化设计。我们为 EADS 设计望远镜支架等支架，EOS 合作，复杂工况发挥作用。

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我们也与汽车公司合作，含宝马、福特、通用及全球众多公司，他们探索增材制造作为原型可行选项。细分看，我们不仅见直接 3D 打印，还见大量混合制造，传统制造与增材结合。我指如砂芯砂模 3D 打印用于铸造。

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第二领域是塑料注塑成型模具。重要的是模具组件形成的型腔在加压循环中不分离、诱发需去除飞边。整个模具可用生成式设计结构优化、在载荷下保持完整性。除结构优化，还可为贴合冷却水道优化热提取，环绕需快速冷却区域。这种有机结构理想用于 3D 打印。我们与 PROTIQ 合作这些例子，循环时间从近 9 秒降到 3 秒。若日产百万件，可日产 300 万。意味着优化注塑模具可三倍提升产能。

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我们也与机器人行业合作，有许多应用用设计优化和 3D 打印做机器人末端夹具。夹具磨损快，需立即更换防止装配线中断。极大型结构，我们近期与 MX3D 合作 3D 打印机械臂。MX3D 是 3D 打印公司，用专有电弧丝技术生产大型金属结构。

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我们的软件让 MX3D 优化机械臂设计，在考虑打印约束下减轻超一半原重。此项目我们工程师用生成式设计定制，得出 3D 打印机器人臂最高效形状。也有许多国防应用受益于 3D 打印。如战斗车辆零件损坏，想就地立即打印替换，无需等待替换件到达。这对可能无图纸的老旧零件尤其如此。我们的解决方案也用于医疗 3D 打印。如矫形公司 Andiamo 用 3D 打印造更贴合矫形器。传统做矫形器是用石膏包裹肢体或躯干、切下送人工制作。Andiamo 工艺消除石膏模，从身体数字 3D 扫描开始，创建高精度模型开始设计。过程也涉及大量仿真保证儿童完美贴合。我们也看到对粘结剂喷射等 3D 打印工艺兴趣增加。我们与该领域合作伙伴如 Desktop Metal 和 ExOne 合作。Formnext 上展示粘结剂喷射应用，演示用 FDM、SLM、混合铸造和粘结剂喷射全流程造自行车支架。

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从行业整体看，你认为 2020 年有哪些关键发展？

行业极快。每次去增材制造活动，明显打印机制造商和材料供应商数量近乎年年翻倍。竞争加剧，我非常肯定成本会下降，这是目前增材制造端的大阻碍。玩家增多可能帮终端消费者。

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看牙科行业，是最成熟之一。消费者想装新牙冠，牙医扫描牙齿、发送扫描件 2-3 天打印好。这循环需在其他行业也实现。那是大家 2020 年将持续努力的方向。

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还有哪些挑战需克服以进一步加速 3D 打印采纳？

有许多相互交织的挑战。首是成本。成本显然与零件尺寸和生产量相关，决定用何种制造方法。即使增材内部，可能想选选择性激光熔融或金属粘结剂喷射。第二层面是认证。如何根据零件是承载件还是安全关键件认证？重复性水平如何？今天挑战是无法控制成本且重复性低。某打印机打印零件，能否在不同打印机、不同地点达相同规格？零件表现完全一致几率多大？这导致能否准确建模微观物理的挑战。引出用户能否确信最终零件能跨不同平台和地点一致打印的问题。在建立行业标准和材料合格方面有大量工作。材料供应商、打印机制造商、软件提供商——大家须聚在一起建立可接受公差标准，针对轻载、重载安全关键零件；满足内部孔隙和/或外部表面质量。看历史，无论铸造、锻造、钣金，多年都有关联组织如美国铸造协会。有许多组织致力于聚合所有人创建标准。今天增材制造市场各领域爆发，但最终都需聚在一起集体创建标准、确保每个行业参与者在同一页面。

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最后，Altair 来年有何规划？

我们将继续为用户开发更多仿真解决方案。增材制造工艺方面，将继续开发帮助技术用户验证工艺、理解随之而来的不确定性的解决方案。最终，我们聚焦三大支柱：理解性能、通过结合性能和制造工艺本身创建设计。它们必须齐头并进，我们将继续使命帮助客户尽可能准确验证性能和制造工艺以驱动设计。将继续结合物理、高性能计算和数据。必须把它们结合，因为有些问题靠理解物理解决，有些靠机器学习。我们将努力结合所开发所有技术，让事情更高效、更盈利，最终目标帮助他们做更好决策、造更高性能产品。