3D打印设计软件的兴起

制造商对增材制造压力的接受使软件供应商受益。

使用NVIDIA GVDB(GPU体素数据库)的基于体素的3D打印,其中内部结构会根据应力进行优化并自动生成。图片由NVIDIA提供。


十年前,设计软件用户感叹他们的某些设计可能永远无法实现,因为它们无法通过CAD软件在像素中描绘的复杂表面,结构和光束无法在现实世界中进行加工,模制或制造。 。现在,桌子已经翻了。 3D打印机可能产生的一些微妙特征和结构可能无法在标准CAD软件包中建模。

根据分析公司Wohlers Associates的数据,3D打印市场规模为60.63亿美元(Wohlers Report 2017)。该公司指出:“2016年,有97个制造商生产和销售了工业增材制造(AM)系统。2015年为62家,2014年为49家。 ”不断增长的工业系统供应商数量表明,增材制造已从原型技术发展成为可行的大规模生产手段。

对于设计软件行业,AM硬件的普及是一个福音和考验。软件开发人员和供应商将从越来越多的人转向3D建模软件来创建可打印设计中受益。但是,对于那些不够灵活,适应能力不足以烹饪与3D打印兼容的建模技术的人来说,AM饼可能遥不可及。

将参数化CAD与AM融合

参数化CAD是作为减法时代,机床时代的建模解决方案而开发的。因此,从创建孔的方式到圆角的加工,参数CAD都模仿了减法制造方法。软件中允许的几何形状还反映了什么的范围和限制’最适合批量生产中的减法制造。

人类心脏的全彩3D打印模型,用于增强术前计划。图片由惠普提供;数据由凤凰城儿童医院提供; Jemma的心脏。 人类心脏的全彩3D打印模型,用于增强术前计划。 图片由惠普提供;数据由Phoenix Children提供’医院; Jemma的心脏。

当前市场中的有限元分析(FEA),模拟和计算机辅助制造(CAM)软件程序也反映了减法制造的历史优势。著名的FEA程序使用求解器和设置,使您可以评估以减法为中心的CAD软件雕刻的各种类型的几何。 CAM软件使用久经考验的机床原理来识别加工操作中即将发生的故障。

“现有的CAD供应商已尝试解决对AM的需求,”观察AM初创公司Desktop Metal的Arjun Aggarwal’业务发展副总裁。“有些人用新工具扩展了现有工具。其他人则可以将插件插入当前产品中。拓扑优化软件就是一个很好的例子。但是问题是,要优化某些内容,您需要设计输入(以3D几何形式)。通常,该形状是使用反映传统方法的传统建模软件制作的。”

在以减法为中心的CAD程序中雕刻的几何体上使用以AM为中心的仿真和优化方法充其量是一个妥协。参数化CAD软件开发人员正在逐渐向其旗舰产品中添加以AM为中心的几何造型功能,但是CAD程序才能完全利用AM硬件需要一些时间。’s capabilities.

“毫无疑问,现有的CAD工具缺少一些关键功能,无法适合增材制造的设计,”3D Systems软件产品副总裁Roy Sterenthal说。 “但是,我们不希望设计界仅采用新的CAD和FEA解决方案来添加添加剂。相反,我们确实需要对现有CAD和FEA解决方案的补充解决方案来填补空白。”

五金制造商’ Software

AM硬件制造商暂时填补了软件空白。在SOLIDWORKS World 2018用户大会(SWW18)上,3D Systems首席执行官Vyomesh Joshi与SOLIDWORKS首席执行官Gian Paolo Bassi举行了新闻发布会,宣布SOLIDWORKS的3DXpert,其开发目的是让SOLIDWORKS CAD用户为AM项目准备和优化设计。“我相信[3DXpert for SW]是使3D打印民主化的工具,” says Joshi.

使用NVIDIA GVDB(GPU体素数据库)的基于体素的3D打印,其中内部结构会根据应力进行优化并自动生成。图片由NVIDIA提供。 使用NVIDIA GVDB(GPU体素数据库)的基于体素的3D打印,其中内部结构会根据应力进行优化并自动生成。 图片由NVIDIA提供。

原始的3DXpert被描述为“金属增材制造的一站式解决方案。”相比之下,用于SOLIDWORKS的3DXpert旨在处理添加剂的金属和塑料设计。独立版本的3DXpert独立运行,而SOLIDWORKS的3Dxpert嵌套在设计软件中,从而使SOLIDWORKS用户可以从熟悉的界面设计3D可打印零件。

“添加剂制造’我们的承诺是提供更多形状,更多方式,并最终提供设计自由:如果可以设计,’将能够打印它。但是,要正确实现增材制造并不容易,因此需要使用新的软件工具来实现。需要软件解决方案来提供分析工具和几何工具,” says Sterenthal.

成长与切割

参加SWW18的还有Desktop Metal。该公司成立于2015年,是一个相对较新的领域,但其团队是CAD资深人士的聚集。该公司将其生产系统带到SWW18参加AM研讨会。该公司将其技术描述为“金属3D打印的新方法—单程喷射(SPJ)。 SPJ由粘合剂喷射和单程喷墨工艺的发明人创建,SPJ可以在数分钟而不是数小时的时间内完成金属零件的制造。 ”

该公司还偷窥了实验室中的一些代码酝酿—包括一个称为Live Parts的软件程序。它’s described as “一种应用形态发生学原理和先进仿真技术在几分钟内自动生成零件设计的实验技术。”

“基本上,您可以确定零件中要连接的区域,”Desktop Metal的Andy Roberts说’是Live Parts的软件工程师。“用户可以识别力,但是他们’[与典型的FEA负载不同]。他们’重新引导形状的力,以指导结构的增长。该软件在没有任何先入为主的概念的情况下发展了该部分。该过程更加简单,更加有机。”

在许多拓扑优化程序中,用户提供通用的几何块作为起点。该软件使用载荷计算,应力分析和其他手段来去除尽可能多的材料,以达到最佳效果—或最轻—几何学。相反,从空白处开始并在需要的地方生长材料,就像Live Parts那样。它’完全不同的方法。

罗伯茨说,零件不仅要承受工程师规定的力,还要承受意想不到的力。“您的设计会受到所谓的过渡力的影响,类似于风在树上吹来时所看到的随机波动的力,” he said. “我们发现以这种方式生长的零件可以均匀地分布应力负荷,并减少了应变的热点。”

“目前,Live Parts是一种通用的形状查找工具。它没有’•本质上考虑要使用的制造方法(例如,注塑,机加工或3D打印)。但是,由于零件的几何形状非常复杂,因此您通常会发现,在Live Parts中建模的零件只能以3D打印方式制造,” says Aggarwal. “最终,随着我们在其中内置更多功能,Live Parts将与Desktop Metal生态系统直接相关。”

惠普进入

SWW18也标记为HP’推出了HP Jet Fusion 300和500系列打印机。该公司写道,“HP Multi Jet Fusion(MJF)技术具有在零件的每个点生产具有可控制的物理和功能特性的零件的独特能力”—惠普形容为“基于体素的打印。”在开发MJF硬件时,惠普还一直在悄悄开发一种软​​件程序,以在体素级别上控制零件的打印属性。

“市场上目前有一些实验性软件工具,但是大多数专业的CAD和模拟软件却没有’尚未准备好支持惠普’体素级3D打印”惠普公司的路易斯·鲍德兹(Luis Baldez)解释说’的3D打印软件业务负责人。“但是,惠普已经开始与世界上的一些地区建立牢固的合作伙伴关系。’领先的CAD和模拟公司调整路线图并确保MJF’完全支持的高级功能。西门子,欧特克(Autodesk),Materialize和SOLIDWORKS是已经迈出第一步并发布专门支持惠普的产品的领导者’市场上先进的3D技术。”

去年,在NVIDIA举办的GPU技术大会(GTC 2017)上,惠普实验室和NVIDIA展示了名为GVDB的实验软件程序。为了分解名称,G代表GPU; G代表GPU。 VDB代表体素数据库。 GVDB’GPU制造商NVIDIA的光线追踪渲染和GPU驱动的性能加速’的贡献;该软件’NVIDIA的Andrew Page表示,基于体素的模拟和优化来自惠普实验室’的GVDB产品经理。

新的绘画方式

尽管无法加工复杂的微结构(如晶格和蜂窝),但现在可以使用3D打印机进行生产。晶格填充的金属零件的重量可以显着小于固态零件,但强度和耐用性却相同或几乎相同。因此,寻求减轻产品重量的航空航天和汽车工程师经常探索这种几何图案。但是,目前,’在CAD中很难建模或模拟。

“过去,我们能够设计我们无法’生产现在,我们拥有可以制造的零件,但无法在CAD系统中进行设计。”

—德国高级工程解决方案负责人Andreas Vlahinos’的在线圆桌会议,2016年1月

“几何表示是最重要的新问题’伴随着这一新的生成设计工具浪潮,”nTopology的联合创始人兼首席执行官Bradley Rothenberg说。“例如,今天,表示生成设计的零件输出的主要方式曾经与CAD无关,而在模拟中却是标准的:网格。两种主要的CAD内核,Parasolid和ACIS,现在才开始支持网格上的建模操作。重量更轻的表示形式现在也用于诸如梁和壳的网格。”

“当前的CAD软件包将网格和蜂窝结构表示为网格,分别详细说明每个元素。这需要大量的处理和内存才能为3D模型创建,编辑和渲染。输出文件可能要占用数百GB,这实际上限制了硬件可以产生的设计,” notes Baldez.

当前3D打印的事实上的标准是STL(立体光刻),大多数CAD程序都支持这种格式。但是,展望未来,增材制造硬件制造商和以增材制造为目标的软件开发商可能会寻求更好的替代方案,以配合打印机的功能。

已出现的STL竞争对手之一是开放的非专有3MF,该3MF由3MF联盟(由Microsoft,HP,PTC,西门子和其他技术领先者组成)提倡。“我们的目标是提供一个规范,以消除当前可用文件格式的问题,并使公司专注于创新,而不是基本的互操作性问题,”在其主页上宣布3MF联盟。

“3MF最近批准了我们[nTopology’s] LTCX beam &外壳表示,” says Rothenberg. “3D体积的其他表示形式现在也已用于[nTopology’的软件]元素。例如,当您要从晶格过渡到实体时,我们使用一个函数来表示到曲面的符号距离—有符号的意思是在表面内部,距离为负,在表面外部’是肯定的。然后,您还可以从这种体积表示形式直接进行仿真或无需网格划分的制造...所有这些新的表示形式都开始受到经典NURBS b-rep不可能完成的任务的欢迎。”

“传统的CAD软件包基于3D建模内核,这些内核仅表示对象的表面,也称为边界表示或B-Rep,” explains Baldez. “他们假设每个部分都是单一的颜色,纹理和材料。基于体素的零件需要在现有的CAD软件包之外进行设计,并且要有很多变通方法和技巧。3MF团队已经在研究晶格结构和体素表示。”

集成有限元分析

主流CAD程序现在结合了基本的应力分析和仿真工具,但是在大多数情况下,设计和FEA环境是分开的,从而允许用户按顺序进行设计和分析。面向AM的软件往往会在后台使用FEA或模拟作为其寻形和形状优化算法的一部分。

n拓扑就是这种情况,将其技术描述为“生成,手动和基于仿真的设计工具的组合...” nTopology’的产品Element有免费版本和收费专业版本。“使用Element,您可以针对用户定义的输入,导入的数据或我们集成的FEA优化晶格结构。您输入您知道的和您需要的,然后我们与用户一起生成设计’s guidance,” says Rothenberg.

“增材制造设计需要使用FEA工具作为设计过程的一部分,而不仅仅是最终仿真和功能批准。必须将其作为一个连续的过程,并立即反馈设计决策,”Sterenthal说。他补充说,“[在3DXpert中,]大量的分析工具(包括FEA分析)被合并到增材制造的设计和准备中,并具有即时反馈以对模型进行修改。”

设计与制造的融合

2017年3月,初创公司Frustum宣布与西门子建立合作伙伴关系。该公司写道:“我们很高兴能够使Siemens NX客户设计出经过完全优化的零件,准备进行3D打印,并使他们能够超越传统CAD几何图形的界限。”Frustum首席执行官Jesse Blankenship介绍了公司’s technology as “功能生成设计”指出他们专有的几何图形内核TrueSOLID“允许以工程精度将不确定的生成几何体与传统的基于曲面的CAD混合,从而将增材制造推向极限。”

设计软件和AM硬件制造商之间的合作关系将会增加,因为每个人都需要彼此的专业知识来启用AM。在最基本的水平上,设计软件需要具有打印机感知能力,以帮助调整打印托盘中的零件的方向,从而获得最佳的零件强度和打印效率。

参数化CAD具有显着的学习曲线,尤其是对于那些具有有限工程学背景的人。在必要时添加新的选项卡和命令以适应增材制造的设计,还存在增加复杂性的风险—给既定的参数CAD供应商造成困难的平衡。

新型独立的AM专用程序的外观和操作更像拓扑优化程序,而不像CAD建模器。因此,独立的AM设计软件可能会作为其自己的单独类别出现,或者作为仿真软件市场的一部分出现。

除非实现,否则AM无法实现的创新’由设计软件支持。同样,现有的设计软件制造商意识到他们必须找到促进AM保持相关性的方法。因此,两门学科的命运交织在一起,他们正在学习舞蹈的新节奏。

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黄健贤

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