先进增材制造软件助力产能最大化

新CAD/CAM编程与仿真软件如何应对增材制造工艺挑战

制造领域，增材制造（AM）仍是新入局者。虽存在数十年，直到近年多局限于原型与小批量。新型金属增材工艺出现后，AM潜力剧增：从引人入胜的技术跃为现实生产工艺，GE、洛克希德等头部制造商已用其造飞机发动机等任务关键金属增材零件组件。随AM普及，新CAD/CAM编程软件与仿真包应运而生，解决层叠工艺痛点，提供生成式设计增材工作流工具、更广泛3D可视化与拓扑优化技术。许多新包也瞄准混合增材/减材机床新品类。

让不可能成为可能

新增材方案核心目标之一是生成大幅改进的设计。增材CAD/CAM编程让产品开发工程师更易设计以往被认为无法制造的零件。“Autodesk构建了端到端增材工作流：从设计优化到构建准备、仿真、后处理，助设计师工程师从原型走向批量生产”，Autodesk增材制造与复合材料业务发展战略Duann Scott说，“现加入生成式设计，让设计师基于多目标多工艺探索实现AM全部潜力，打破传统CAD不可及边界。”

AM批量生产能力是关键进展，Scott指出：“随新材料新工艺演进，用例将从小型复杂/定制件拓展至大型件，因低成本机器材料入市。硬件成本随关键专利过期暴跌：FDM机从4万美元降至400美元，SLA从同级价降至3000美元，SLS从15万降至1万。金属增材新浪潮：单机投入从百万美元降至十万美元级。投入门槛巨降将剧烈拓展目前相对小众的市场。”

软件加入生成式设计赋予设计师实质优势，Scott主张：“生成式设计基于设计约束与制造工艺探索解决方案，传统CAD无法构思或执行。不只是拓扑优化——基于FEA求解器对现有几何减材至单一优化设计——生成式设计基于多目标多工艺创造几何解，提供多解。解可迭代细化几何，直接制造或指导设计师思路。”

明年初Autodesk将发布Netfabb 2018下一版（现测试中），新增生成式设计能力。“传统减材与增材的联系在于：两者都需深谙特定机器材料组合以创建最优机器控制满足设计工程师要求”，Scott说，“且多数金属增材件需减材后处理保证装配界面面质与公差。Autodesk提供完整工作流，同一CAD文件服务增材与必要减材后处理。”

“融合增材减材等分离工艺于制造工作流通常涉及多步骤、常跨不同机器。需精准自动化。数字工艺线从设计工程意图起，仿真各步骤应发生什么——必须基于原始数据构建。也需用检测与自适应/反馈回路监控实况，检测补偿偏差。这些过程也须打通。”

去秋西门子PLM软件（德州普拉诺）发布“NX增材制造”方案，今年初增Siemens零件制造平台——在线协作服务匹配增材零件买卖方。4月宣布与老牌增材/3D打印软件商Materialise NV（比利时鲁汶）深度技术合作：Materialise Magics 3D Print Suite AM软件将全面集成西门子NX。结合Materialise专长与西门子NX核心CAD/CAM/CAE优势（含基于仿真优化工具的广泛设计能力），西门子PLM制造工程软件市场高级总监Aaron Frankel指出。

西门子增材战略三支柱，首为NX增材制造，含NX与Teamcenter PLM，“这是我们称之为的数字链与面向未来的核心”，西门子PLM制造工程集团副总裁Andreas Saar说。西门子将三至六月迭代发版，新打印机接口对接EOS、Stratasys、DMG Mori、HP等多增材玩家。

“意图推动增材进入工业化阶段”，Saar说，将Materialise融入西门子庞大NX工业装机量。例GE用增材造飞机发动机大型喷嘴。“仅20-30人设计仿真团队成就此事，而设计工程师有4000人。目标是大幅扩展。GM有1万设计席位，这些人必须重思增材制造。”

“市场上中大企业正组建增材制造工作组理解技术”，Frankel说，“学习曲线陡峭。企业拾起各种零散技术试水，但临时环境难规模化。企业需要端到端方案，用单一解决方案管理数据与流程。”

混合增材加工的崛起

许多新增材CAD/CAM方案聚焦最新混合增材/减材机床编程仿真，含DMG Mori、Mazak新品。因增材件非近净成形需中重度精加工，混合机对许多机床用户是务实路径。混合机虽贵但近年更亲民。

西门子战略旨在支持所有AM机床，尤其中国合作伙伴DMG Mori、Mazak混合机。“支持现有方案：直接能量沉积、激光束焊接、粉末床熔融”，西门子PLM的Frankel说。Saar称粉末床熔融最常见，西门子支持HP新Multi-Jet Fusion，用喷嘴2D打印机，具3D体素技术单色打印未来将多色。“未来极具可扩展性。”

混合机吸引许多CAD/CAM开发商，Vero Software（英国雷丁）规划明年4月左右为Edgecam等CAM软件发布混合增材加工模块，战略产品总监Raf Lobato称。直接能量沉积、修复、特征生长、熔覆是软件重点。“要榨干增材价值，增材不能孤存：‘增材’区偶尔需减材预处理，沉积后通常需减材精加工”，Lobato说。

许多增材工艺仍需更多研究完善。“实际尚不知如何有效增材”，Lobato形容直接能量沉积：“给零件增材不出完美形状。”沉积材料远非近净成形，需减材精加工完成。“好消息是测试显示此工艺沉积增材材料比基体更硬，熔覆操作中接近100%致密金属沉积到金属部件。”

案例：修复航空涡轮叶片需从零件切出V型料而非仅在裂纹处增材。“又见减材必要”，Lobato认同，“有时增材减材双需完成工作。且增材极耗时。”

技术改进（软硬件）、速度、柔性、成本是增材增长关键，Labato说。“我们参与Kraken项目https://krakenproject.eu/，致力机器人大型件增材制造，精度超传统水平。”

DP Technology（加州卡马里洛）8月发布Esprit增材软件套件面向金属增材制造，将耗时增材编程简化为几步。

“当今CAD/CAM软件应提供多任务、多功能、多通道、车铣、增材减材机床强大编程，增材减材工艺在单一友好界面编程优化仿真”，DP Technology执行副总裁Chuck Mathews说。新Esprit增材模块预计2018年中发布。DP与DMG Mori、Mazak深度合作，模块将为其混合机用户提供增材编程。

Creo 4.0中PTC（马萨诸塞尼德姆）发布增材制造平台，含更好设计优化轻量结构、定义新装配子类型存储待打印件位置材料颜色等，Creo制造仿真应用产品经理Jose Coronado指出。增材方案含连接功能直接反馈3D打印机能力供设计期参考。

“高比例Creo用户正实施或考虑增材试点项目”，Coronado说。“许多客户端塑料打印机已从原型转向工装夹具制造或直接生产终端件。推手之一是Creo新功能：设计优化晶格直连Stratasys与3D Systems塑料打印机。”

“PTC Creo路线图含更多晶格类型、集成B-Rep模型拓扑优化、支持金属打印等，均不离Creo”，他续称。“但用户无需等待：PTC现有增材减材功能共存，与CAD模型无缝集成。同一3D模型准备托盘打印单/多件。后处理如钻孔/面铣/去毛刺时，同一模型生成对应NC刀路。”

增材早期先驱3D Systems（南卡罗来纳罗克希尔）也提供增材减材专长及去年推出的3DXpert金属增材制造软件，GibbsCAM 3D Systems产品经理Daniel Remenak称。“3DXpert是金属增材一体化软件方案，含打印准备、支撑结构优化、切片、后处理高级能力。”

Mastercam开发商CNC Software虽未发布增材专用模块，但“正评估当前及技术扩展期对客户最有用的增材软件路径”，高级市场分析师Ben Mund说。

“表面光洁度初期问题已显著改善，可用材料大增，高温结构材料、柔性材料、复合材料开发投入更多。随问题改善，应用场景将更广。更亲民金属打印也将推进产业。新型更亲民基材渗入金属正涌现。”

“增材减材协同场景众多”，他续称，“从为减材加工产增材夹具，到造需精加工的增材件。当然，减材无法生产的零件，增材是唯一选择。”

Open Mind Technologies USA（马萨诸塞尼德姆），hyperMill CAD/CAM开发商，具备通过hyperMill内增材专用模块选项支持AM工艺能力，总经理Alan Levine补充。Open Mind涉足增材加工近10年。“重点支持激光金属沉积工艺编程。与先进五轴聚焦一致，含客户反馈。今与机床合作伙伴及关键终端用户合作项目实施确认新技术。流程与持续演进的hyperMill减材包对齐，在现有方法下优雅流畅完成。”

尽管粉末床机占市场大头，Open Mind聚焦激光沉积：用于造新件（常五轴）及模具/能源领域维修，Levine说。“激光沉积通常无需工艺中支撑悬垂结构后移除。也适配混合加工。”

约年前Open Mind引入合作伙伴组件开发商MachineWorks（英国谢菲尔德）增材仿真支持。“增材软件开发基于经验与关键用户机床伙伴合作。当前制造零件驱动软件与流程迭代。增材处理基本需求——填充边界路径、控制起点、激光触发——已在软件实现”，Levine说。“碰撞检测需格外关注：工件模型持续生长，沉积头需特定焦距保证粉末沉积质量。”

仿真NC与增材工艺

准确仿真金属切削成形运动对保证制造质量与刀具夹具机床安全至关重要。直到最近，仿真软件难充分可视化AM工艺。

匹兹堡Rapid/TCT展上，最新Vericut 8.1 NC仿真验证优化软件发布增材混合制造仿真新能力及连续修整磨削，CGTech Vericut产品经理Gene Granata说。“新方法可任意顺序结合任意传统切削[铣削、车削、五轴]用于几乎任意品牌CNC机床。软件还增强工件剖面、X-Caliper测量工具、Force刀路优化、自动生成报单记录制造过程。”

“增材制造诱惑伴随设计师NC程序员独特挑战”，他续称，“人们重训思维设计编程零件，以尽可能高效造优产品。Vericut等仿真软件是NC程序员可视化验证各工序顺序、对比制造策略、防范机床刀具零件昂贵碰撞损坏的宝贵工具。”混合机典型昂贵且单位供给有限，激光等增材设备维修备件/技术员难觅。“仿真软件提供性价比高的保障，规避潜在问题。”

寻找增材零件编程新路给NC程序员新挑战。“拥有增材减材混合选项常推程序员跳出以往‘舒适区’做以前想不到的事”，Granato说。“新增材制造设计[DFAM]与增材NC编程能力似每版CAD/CAM都新增。虽旨在给增材NC程序员更多选项，但也陡增学习曲线。脑记材料沉积位置与否极具挑战。”

增材引入生产创造多重问题，“NC操作规划排序失误可损机床部件、增材设备或零件。仿真消除猜测降风险，展示零件如何造及全过程精确表征。”Vericut增材模块仿真混合机上任意顺序增材与传统加工能力。“全工序仿真可识别集成增材方法潜在问题。用户可访问Vericut逼真液滴技术存储的详细‘历史’，单击定位零件特征何时被加工及错误源，多数情况一键搞定。”

此增材能力核验精准激光熔覆与材料沉积，检测机床与增材件碰撞，发现错误、空洞、错位材料。Granato指出：“为最高精度，Vericut仿真驱动CNC机床的同一后处理NC代码，确保AM功能与激光参数正确使用。用户可虚拟实验任意顺序组合增材与金属去除工艺，确定最优安全混合制造方法。”