借助先进仿真工具掌控生产效率

仿真工具让制造商更轻松优化流程，可视化从 NC 金属切削仿真到 3D 设计和工厂成像的整个生产路径。借助当今仿真工具，刀具路径设计师和制造工程师能清晰看到 NC 刀具路径将在何处碰撞，并即时修正，大幅加速金属切削过程的仿真与验证。

仿真系统最新变化包括应用于蓬勃发展的增材制造工艺的新能力，制造商正拥抱其进行快速原型和生产零件增材制造。新 NC 仿真软件正适配这些增材工艺，让按层叠加工艺计算仿真构建零件所需时间（无论原型还是生产金属零件）变得更简单。

在更传统的减材加工中，制造商也持续聚焦将高端仿真工具“普及化”、向下扩散的趋势，将包括计算机辅助工程（CAE）在内的仿真工具（通常仅由高度训练的专家使用）扩展至整个制造设计/生产链条。

面向增材与减材的仿真

最新 NC 仿真验证工具包括 CGTech（加州欧文）的 Vericut 和 Spring Technologies（波士顿）的 NCSimul，均增加增材能力，以仿真验证增材工艺，方式与传统加工相似。

“增材制造是最新趋势，越来越多制造商将其纳入能力目录，”CGTech Vericut 产品经理 Gene Granata 说。“CGTech 正与 GE、达索航空、马扎克、谢菲尔德大学、康涅狄格先进技术中心（CCAT）等技术合作伙伴合作，协作培育计划随 Vericut 8.1 发布的 AM 模块，预计今年晚些时候推出。”

新版 Vericut 增加从云端下载数据的优化刀具路径。“Vericut 8.0.2 更新了 Force‘基于物理’刀具路径优化模块，现直接接收基于云的刀具输入值，并受益于多项简化优化设置的新功能，”Granata 指出。“通过微观分析 NC 程序遇到的切削条件，Force 确保 NC 程序拥有最优进给率和理想切屑厚度，不超安全力或功率限制。这极大提升生产力。”

新版 Vericut 技术改进含 Vericut 8.0.2 中 100 多项用户需求，简化设置、改善用户体验，延长刀具寿命、避免昂贵主轴损坏。“具体改进包括 Force 优化模块更新、刀具管理器导入更多刀具使用性能数据、Vericut 钻孔和紧固件（VDAF）仿真产品受益于更新的图形用户界面（GUI），”Granata 补充。“所有增强旨在帮助客户尽可能高效验证优化 NC 代码。”

Spring Technologies 总经理、NCSimul Machine 及相关仿真产品开发商 Silvere Proisy 指出，增材仿真虽新但对制造客户前景广阔。“针对增材，我们仿真机床运动并计算金属分层所需时间，”Proisy 说。

Spring Technologies 主要专注金属增材制造工艺，Proisy 指出，与航空航天/国防领域一级、二级供应商合作，含发动机和起落架制造商，开发仿真利用 NCSimul 软件在这些增材工艺中的能力。

任何制造工艺仿真都至关重要，Spring NCSimul 4CAM 软件赋予制造运营车间巨大灵活性，Proisy 说。NCSimul 优势之一是用户可用实际 G 代码仿真切削或增材工艺，若有不该执行的切削或移动，易回溯重建工艺。“不必重启过程，可‘即时’编辑仿真并重建零件，”他说。

其他切入增材的仿真软件供应商包括达索系统（巴黎）和西门子 PLM Software（德克萨斯州普莱诺）等软件巨头。

达索进军增材领域包括其增材制造工程师，提供云和本地部署版，使制造商能准备验证增材工艺。软件通过归档最佳实践复用、自动优化零件位置、制定不同增材策略节省用户时间。

3DExperience 2017x 版称将以更高集成度转型设计、仿真和制造。新增功能生成设计师角色，设计师提供功能规范（含 3D 包络、载荷场景、材料、减重目标、期望制造工艺），一键运行仿真生成优化概念形状。这让设计师和工程师利用增材制造的灵活性，对比铣削、铸造、锻造等传统工艺。两个新增数字制造和生产角色用于增材制造，定义优化粉末床熔融和工业 3D 打印的设置和工艺，并编程激光路径。

2017 年 1 月，西门子（慕尼黑）与增材开发商 Materialise NV（比利时鲁汶）宣布合作，整合西门子 PLM NX 软件与 Materialise 技术于增材领域。协议下，公司将 Materialise 技术集成进 NX CAD/CAM/CAE 软件，使其能为粉末床熔融和材料喷射 3D 打印工艺精准设计 CAD 模型。据公司称，由此软件将全 3D 打印零件构建过程加速 30% 以上。

西门子 PLM Software 制造工程软件高级副总裁 Zvi Feuer 在声明中称，该协议代表让增材制造成为客户主流生产实践的巨大飞跃。“直到现在，增材制造要求制造商用两套独立系统——一套产品设计，另一套为 3D 打印准备设计，”Feuer 说。“两系统间数据转换问题和缺乏关联性，造成过程耗时且易出错。消除这些问题，我们助力增材制造作为通用生产工具被普遍采纳。”

NX 现利用 Materialise Magics 3D Print Suite 技术，支持终端零件制造常见增材工艺，含粉末床熔融、材料喷射，有望进一步加速增材从原型走向全规模制造技术演进。方案无缝关联 NX 与 Materialise 晶格技术、支撑结构设计、3D 嵌套、构建托盘准备、增材制造构建处理器框架技术。消除数据转换、转化，确保数字产品设计模型变更自动关联反映在 3D 打印作业中。结果：模型精度更高、质量更优、设计到生产过程大幅加快。

CAE 走向大众

最新仿真趋势中，CAE 工具更广采用——含计算流体动力学（CFD）、有限元分析（FEA）、拓扑优化——开始渗透制造运营，更多非 CAE 专家工程师利用这些仿真技术力量。

“影响制造整体的趋势也反映在仿真软件中。含增材制造及相关仿真技术、拓扑优化、产品侧复合材料仿真，”西门子 PLM Software 全球仿真产品营销总监 Ravi Shankar 指出。“增材制造也对各类传统制造工艺刀具创建有影响。此外，仿真技术也应用于制造过程，如装配仿真、机器人仿真、物流仿真、人因工效仿真。”

仿真能更早发现潜在问题，让公司在问题发生前规避，Shankar 指出。“这直接影响生产力：减少制造停机、实现更快处理、增加刀具寿命使用、降低材料成本。”

数字化过程对制造优质增材产品至关重要，Shankar 补充。“西门子有多项举措精简增材产品设计、仿真、生产，”他说。“含面向生成式设计的最新创新，使设计师用 NX 利用拓扑优化创建轻量有机形状，用汇聚建模细化设计，再驱动制造工艺。同样针对复合材料，西门子提供优化复合铺层、仿真铺层过程及对零件影响、固化和回弹效应仿真等方案。”

尽管 CAD/CAM 研究机构 CIMdata Inc.（密歇根州安娜堡）几年前在仿真研究中描述的 CAE 工具“普及化”已有进展，但据 Shankar，进一步推广此类仿真采纳仍有漫漫长路。“我们当然看到一些公司引领仿真技术采纳，但也看到巨大潜力扩大使用、将这些技术价值带给制造工程师，”Shankar 补充。“仿真技术用于结构分析、模流冷却仿真、复合材料制造等。多数情况下仍由专职仿真专家执行。所以我们认为 CAE 普及虽在进行，尚未达全潜力。”

优化钻削

加工昂贵耐腐蚀材料极其损耗钻头，多特蒙德工业大学（德国多特蒙德）研究人员近期利用 Ansys Inc.（匹兹堡）流体流动和结构分析工具，分析工艺冷却液流动分布，实现更长刀具寿命。

多特蒙德工大加工技术研究所（ISF），Dirk Biermann 教授领导团队分析延长超合金 Inconel 718 钻头寿命方法。该合金低导热性意味大量热量须用外部方法从镗削区带走，否则刀具变形。这导致孔质量差或硬质合金钻头断裂。为保切削区温度较低，用相对低钻速 <50 m/min，仍需液体冷却液。为将冷却液导向所需位置，通过钻头刃带内两微小内部通道泵送。

为理解钻头结构、冷却液和 Inconel 工件复杂交互，ISF 团队用 Ansys 仿真工具通过流固耦合（FSI）分析优化工艺。过程含创建完整流体网格，工程师用 Ansys CFX 计算流体动力学（CFD）软件建模冷却液在流体域分布。团队也用带 CFX 计算冷却液力边界条件的 Ansys Mechanical 完成 FSI 分析。含所有不同 CFD 和 Mechanical 仿真，ISF 在四周内完成计算分析。“钻削 Inconel 合金需谨慎管理防止机床快速磨损损坏，”Biermann 指出。“团队修改冷却工艺将刀具寿命提升约 50%。”

验证数字化工厂

除增材和 CAE 发展外，制造商快速设计车间布局的需求从未如此迫切。Cenit North America（密歇根州奥本山）FastSuite Edition 2 等新数字制造仿真工具帮助制造商设计工厂布局、预先验证所有制造工艺，加速流程、优化设计。

“IoT 或工业 4.0 代表动摇制造车间根基的剧变。数字工厂软件和 3D 工具推动此变革前行，”Cenit North America 高级客户经理 Lee Van Every 指出。“数字工厂软件帮公司高效切入智能制造。如今软件必须兼容所有 CAD 系统、适配任何厂商机器人和机床。这是客户关系日益多元、系统更复杂苛刻的必备前提。”

当今基于 3D 的仿真软件允许可视化验证工艺和生产任务，Van Every 指出。“生产工厂很少从零建立，常在生产运行中重新规划。拥有作为真实生产系统精确表征的虚拟工厂和模型工厂——不仅几何和运动学上，也在制造单元逻辑行为和控制上——保证敏捷、自组织生产单元，”他说。

“数字工厂允许实施新制造工艺、工厂概念和技术，若无仿真基础方案将太昂贵甚至不可能，”他补充。“机器人应用越多——不仅简单搬运任务，也包括复杂生产步骤——编程仿真工具优势越大。软件解决方案引领这些复杂应用，给操作员必要编程仿真环境，使此前只能手动示教或无法展现必要工艺质量的应用成为可能。”

FastSuite Edition 2 不像从目录拖 3D CAD 组件快速布局、再编脚本宏仿真物流和单元行为，而是用机电组件和资源定义布局，同时定义生产岛示意逻辑，Van Every 据说。“这样确保仿真与真实行为匹配——因为仿真基于与 PLC 编程相同逻辑，故对应后续真实系统行为。”

Cenit 新 FastSuite 软件提供用户友好功能集成项目特定组件到布局，Van Every 说。“此过程必须让无编程知识用户也能快速轻松完成。”

软件基础设施基于开放标准，他补充，持续使用 AML（自动化标记语言）作为系统模型描述语言，例如，允许通过标准化、系统中性的完整系统数据或设备数据（含运动学和逻辑定义）交换，与工程合作伙伴交互大幅简化。此外，PLC Open 确保首个仿真概念基础的系统逻辑可用于后续 PLC 编程。软件用共享内存，控制器写入仿真数据，3D 可视化再读取仿真数据。

“滚边、密封、粘合、喷涂等生产工艺需要虚拟编程仿真环境，以便小批量或工程变更时也能高效运行，需更新机器人单元离线程序，”Van Every 陈述。“现代数字工厂另一优势：复用不仅 CAD 数据，还有工程提供的元数据（如紧固件）远比生产时反复重新定义高效。”

生产侧，Line Designer 是 NX 软件中设计可视化生产线布局的高级应用，西门子的 Shankar 说。“集成西门子 PLM Software 平台让工程师轻松关联设计布局到制造计划。用 Line Designer 设计的布局可用 Tecnomatix 软件验证制造工艺。用 Process Simulate 应用可验证广泛机器人应用，仿真完整生产系统，含单元验证和机器人布局优化。仿真生产工艺可定义最优制造工艺。”