模拟就是相信

仿真工具使制造商更容易优化其工艺，从 NC 金属切削仿真到 3D 设计和工厂车间成像的整个生产路径可视化。借助当今的仿真工具，刀具路径设计师和制造工程师可以轻松准确地看到 NC 刀具路径会在哪里崩溃，并能够即时修复各种情况，从而极大地加快金属切削过程的仿真和验证速度。

模拟系统中的一些最新变化具有新功能，这些新功能正在应用于新兴的增材制造工艺，制造商正在接受快速原型制作和生产部件的增材制造。正在调整新的 NC 仿真软件以适应这些增材工艺，从而更简单地计算和模拟在增材制造的逐层工艺中制造零件所需的时间，以进行原型制作和制造生产金属零件。

在更传统的减材加工中，制造商还继续关注通过高端模拟工具传播财富的持续趋势，“民主化”和传播包括计算机辅助工程 (CAE) 在内的模拟的使用，通常主要用于训练有素的专家，贯穿整个制造设计/生产链。

加法和减法的模拟

最新的 NC 模拟和验证工具，包括来自 CGTech（加利福尼亚州尔湾市）的 Vericut 和来自 Spring Technologies（波士顿）的 NCSimul，正在添加附加功能，以与传统加工几乎相同的方式模拟和验证过程。

“增材制造是最新趋势，越来越多的制造商将这种方法纳入其能力目录，”Vericut CGTech 产品经理 Gene Granata 说。 “CGTech 目前正在与通用电气、达索航空、马扎克、谢菲尔德大学和康涅狄格州先进技术中心 [CCAT] 等技术合作伙伴合作，共同开发我们的增材制造模块，该模块计划在 Vericut 8.1 中发布，将于本日晚些时候发布年。”

新的 Vericut 使用从云端下载的数据添加了优化的刀具路径。 “随着我们最新的 Vericut 软件版本 8.0.2，我们更新了 Force '基于物理'的刀具路径优化模块，该模块现在直接从基于云的工具接收输入值，并受益于简化优化设置的几个新功能，”Granata 指出. “通过对 NC 程序遇到的切削条件进行微观分析，Force 确保 NC 程序具有最佳进给率和理想的切屑厚度，不会超过安全力或功率限制。这极大地提高了生产力。”

新 Vericut 的技术改进包括 Vericut 8.0.2 中的 100 多个用户请求，这些请求简化了设置并改善了用户体验，有助于延长工具的使用寿命，并避免代价高昂的机床主轴损坏。 “一些具体的改进包括力优化模块中的更新，工具管理器现在导入更多关于工具使用和性能的可用数据，并且 Vericut 钻头和紧固件 [VDAF] 模拟产品受益于更新的图形用户界面 [GUI]，”Granata 补充道. “所有这些增强功能都旨在帮助我们的客户尽可能高效地验证和优化他们的 NC 代码。”

NCSimul Machine 和相关模拟产品开发商 Spring Technologies 总经理 Silvere Proisy 指出，虽然添加剂模拟相对较新，但它为制造业客户带来了巨大的希望。 “对于添加剂，我们正在模拟机器的运动并计算金属分层所需的时间，”Proisy 说。

Proisy 指出，Spring Technologies 主要专注于金属增材制造工艺，与航空/国防领域的 1 级和 2 级供应商合作，包括发动机和起落架制造商，他们开发模拟以利用公司 NCSimul 软件中的功能进行这些增材工艺.

Proisy 说，任何制造过程的仿真都至关重要，借助 Spring 的 NCSimul 4CAM 软件，制造操作在车间获得了极大的灵活性。 Proisy 说，NCSimul 的优势之一是用户可以在实际的 G 代码中模拟制造切割或添加过程，如果有不应该进行的切割或移动，很容易返回并重建该过程。 “你不必重新开始这个过程，你可以‘即时’编辑模拟，这样你就可以重建零件，”他说。

其他进入添加剂游戏的仿真软件供应商包括软件巨头达索系统（巴黎）和 Siemens PLM Software（德克萨斯州普莱诺）。

达索进入增材制造领域包括该公司的增材制造工程师，提供云和本地版本，使制造商能够准备和验证增材制造流程。该软件通过启用可重复使用的最佳实践存档、自动优化零件位置以及为增材工艺开发不同的策略来节省用户时间。

据说 3DExperience 2017x 版本以更高的集成度改变了设计、模拟和制造。有了新的 Function Generative Designer 角色，设计师可以提供功能规范（包括 3D 包络、装载场景、材料、减重目标、所需的制造工艺），按下按钮即可运行模拟并生成优化的概念形状。与铣削、铸造和锻造等更传统的制造工艺相比，这使设计师和工程师能够利用增材制造的灵活性。增材制造的两个新的数字制造和生产角色定义和优化了粉末床融合和工业 3D 打印的设置和流程，以及对激光路径进行编程。

2017 年 1 月，Siemens AG（慕尼黑）和增材制造商 Materialise NV（比利时鲁汶）宣布建立合作伙伴关系，双方将合作将 Siemens PLM 的 NX 软件与 Materialise 在增材制造领域的技术集成。根据协议，两家公司将 Materialise 技术集成到 NX CAD/CAM/CAE 软件中，使其能够准确地设计用于粉末床融合和材料喷射 3D 打印工艺的 CAD 模型。据两家公司称，据说由此产生的软件可以将构建完全 3D 打印部件的过程加快 30% 或更多。

Siemens PLM Software 制造工程软件高级副总裁 Zvi Feuer 在一份声明中表示，这笔交易代表着使增材制造成为客户主流生产实践的巨大飞跃。 “到目前为止，增材制造过程要求制造商使用两个独立的系统——一个用于产品设计，另一个用于为 3D 打印准备该设计，”Feuer 说。 “这两个系统之间的数据转换问题和缺乏关联性造成了一个耗时且容易出错的过程。通过消除这些问题，我们正在帮助扩大增材制造作为一种普遍接受的生产工具的采用。”

NX 现在利用 Materialise Magics 3D 打印套件中的技术，为最终部件制造（包括粉末床融合和材料喷射）实现普遍采用的增材制造工艺，这有望进一步加快增材制造从原型到全面的发展制造技术。该解决方案将 NX 与 Materialise lattice 技术、支撑结构设计、3D 嵌套、构建托盘准备和构建处理器框架技术无缝关联，以用于增材制造。这消除了数据转换和转换，并确保对数字产品设计模型的更改自动且关联地反映在 3D 打印作业中。结果是更高的模型精度、更高的质量和更快的设计到生产过程。

与大众分享CAE

在最新的仿真趋势中，CAE 工具的广泛采用——包括计算流体动力学 (CFD)、有限元分析 (FEA) 和拓扑优化等工具——已经开始在制造运营中取得一些进展，因为 CAE 之外的工程师越来越多专家利用这些模拟技术的力量。

“影响整体制造业的一些趋势也反映在模拟软件中。这些包括增材制造和相关仿真技术、拓扑优化以及产品端的复合材料仿真，”Siemens PLM Software 全球仿真产品营销总监 Ravi Shankar 指出。 “增材制造也对为各种传统制造工艺创建工具产生影响。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、人体仿真和人体工程学。”

Shankar 指出，模拟可以更早地检测潜在问题，并使公司能够在此类问题发生之前避免这些问题。 “这会通过减少制造停机时间、加快加工速度、延长刀具寿命和使用率以及降低材料成本来直接影响生产力，”他说。

Shankar 补充说，数字化过程对于制造优质的增材制造产品至关重要。 “西门子有多项举措来简化增材产品的设计、模拟和生产，”他说。 “其中包括生成式设计的最新创新，它使使用 NX 的设计人员能够使用拓扑优化技术来创建轻量级的有机形状，使用融合建模改进这些设计，然后推动制造流程。同样，对于复合材料，西门子提供了优化复合材料叠层、模拟悬垂过程和对零件的影响、模拟固化和回弹效应等解决方案。”

正如 CAD/CAM 研究人员 CIMdata Inc.（密歇根州安娜堡）几年前在其仿真研究中所描述的那样，虽然 CAE 工具的“民主化”取得了进展，但在进一步采用 CAE 工具方面还有很长的路要走。根据 Shankar 的说法，这样的模拟。 “我们当然看到一些公司在采用仿真技术方面处于领先地位，但我们也看到了扩大使用范围并将这些技术的价值带给制造工程师的巨大潜力，”Shankar 补充道。 “仿真技术被用于结构分析、模流和冷却仿真、复合材料制造等。在大多数情况下，这些仍然由专门的仿真专家执行。因此，我们相信 CAE 的民主化虽然正在进行，但尚未充分发挥其潜力。”

优化钻孔

加工昂贵的耐腐蚀材料对钻头来说非常困难，多特蒙德技术大学（德国多特蒙德）的研究人员最近进行的一项研究使用 Ansys Inc.（匹兹堡）的流体流动和结构分析工具来分析工艺冷却剂的流动分布和实现更长的刀具寿命。

在多特蒙德工业大学加工技术研究所 (ISF)，由 Dirk Biermann 教授领导的研究小组分析了延长用于 Inconel 718 高温合金钻头寿命的方法。这种合金的低导热性意味着大量必须使用外部方法将热量从钻孔区带走，否则工具可能会变形。这会导致钻孔质量差或硬质合金钻头破损。使用低于 50 m/min 的相对较低的钻速来保持切削区域的温度较低，但仍需要液体冷却剂。为了将冷却液引导到需要的地方，它被泵送通过陆地内部的两个微小通道，即钻头的实心螺旋图案。

为了了解钻头结构、冷却液和 Inconel 工件之间的复杂相互作用，ISF 团队使用 Ansys 的仿真工具通过执行流固耦合 (FSI) 分析来优化工艺。该过程包括创建完整的流体网格，然后工程师使用 Ansys CFX 计算流体动力学 (CFD) 软件来模拟冷却剂在流体域中的分布。该团队还使用 Ansys Mechanical 和 CFX 计算的冷却剂力的附加边界条件来完成 FSI 分析。包括所有不同的 CFD 和机械模拟，ISF 在四个星期内完成了计算分析。 “对 Inconel 合金的钻孔要经过精心管理，以防止机床快速磨损和损坏，”Biermann 指出。 “该团队修改了冷却工艺，将刀具寿命提高了约 50%。”

验证数字工厂

除了增材制造和 CAE 开发之外，制造商对快速设计工厂车间布局的需求从未如此强烈。来自 Cenit North America（密歇根州奥本山）的 FastSuite Edition 2 等新的数字制造仿真工具可帮助制造商设计工厂布局并提前验证所有制造流程，从而加快流程并优化设计。

“物联网或工业 4.0 代表着正在动摇制造车间基础的根本性变革。数字工厂软件和 3D 工具正在推动这种变化，”Cenit 北美高级客户经理 Lee Van Every 指出。 “数字化工厂软件帮助企业高效打入智能制造。如今，该软件必须与所有 CAD 系统兼容，并且可以与任何制造商的机器人和机器配合使用。这是客户关系随着系统越来越复杂和要求越来越高而变得越来越多样化的强制性先决条件。”

Van Every 指出，当今基于 3D 的仿真软件允许对流程和生产任务进行可视化和验证。 “生产工厂很少从零开始建立，但经常在生产运行时重新规划。将虚拟工厂和模型工厂作为真实生产系统的精确表示，不仅在几何学和运动学上，而且在制造单元的逻辑行为和控制方面，保证了敏捷、自组织的生产单元，”他说.

“数字工厂允许实施新的制造流程、工厂概念和技术，如果没有基于仿真的解决方案，这些将过于昂贵甚至是不可能的，”他补充道。 “使用的机器人应用程序越多——不仅用于简单的处理任务，还用于复杂的生产步骤——使用编程和仿真工具的优势就越大。软件解决方案引领着这些复杂应用的发展，为操作员提供了必要的编程和模拟环境，以制作以前通过手动示教或无法显示必要的过程质量的应用。

FastSuite Edition 2 不是使用目录中的 3D CAD 组件构建快速布局，然后对脚本和宏进行编程以模拟单元的材料流和行为，而是使用机电一体化组件和资源进行布局定义，同时根据 Van Every 的说法，正在为生产岛定义示意图逻辑。 “通过这种方式，可以确保模拟和真实行为匹配——因为模拟基于 PLC 编程期间使用的相同逻辑，因此与以后的真实系统行为相对应。”

Van Every 说，Cenit 的新 FastSuite 软件提供了用户友好的功能，用于在布局中集成新的、特定于项目的组件。 “对于没有编程知识的用户来说，这个过程必须快速轻松地完成。”

他补充说，软件基础架构基于开放标准，始终使用 AML（自动化标记语言）作为系统模型的描述性语言，例如，Van Every 表示，通过标准化、系统中立的方式与工程合作伙伴进行相当简单的交互交换完整的系统数据或设备数据，包括运动学和逻辑定义。此外，PLC Open 确保基于最初模拟概念的系统逻辑也可用于以后的 PLC 编程。该软件使用共享内存，控件在其中写入模拟数据，然后 3D 可视化从中读取模拟数据。

“滚边、密封、粘合或涂漆等生产过程需要虚拟编程和模拟环境，以便在小批量生产或发生工程变更时也能高效运行，需要为机器人单元更新新的离线程序，”凡凡说。 “然后还有另一个方面显示了现代数字工厂的优势：不仅重用 CAD 数据，而且重用工程提供的元数据[例如紧固件]，而不是在生产中重新定义它们，效率要高得多。每次。”

西门子的 Shankar 表示，在生产方面，Line Designer 是一款先进的应用程序，用于在 NX 软件中设计和可视化生产线布局。 “集成的 Siemens PLM Software 平台使工程师能够轻松地将设计的布局与制造规划相关联。因此，使用 Line Designer 设计的布局可用于验证使用 Tecnomatix 软件进行数字制造的制造过程。使用 Process Simulate 应用程序，您可以验证各种机器人应用程序，允许您模拟完整的生产系统，包括单元验证和机器人放置优化。通过模拟生产过程，您可以定义最佳制造过程。”