3D打印的终极PK之仿真
“增材制造技术已被更广泛地普及，在工业应用领域，已经从原型和模具的制造扩展到直接的零件生产领域。
随着更多的企业加入到增材制造领域， 尤其是金属打印领域，不少企业发现，即便不做设备研发，单纯是靠增材制造设备提供打印服务，这一领域亦存在着不小的门槛。
为什么会这样？工业级金属增材制造设备谁玩得了？如何搭建3D打印服务企业的竞争优势？企业在招聘人才的时候，什么样的人才是最核心的？本期，科学谷菌为业内全面分析有限元仿真在金属3D打印中发挥的作用。
方案
才是终极PK
无论是打印假肢，还是想现场制造桥梁的一部分，或者打印汽车零部件。存在的重大挑战是增材制造过程中的可靠性和可预测性，这些障碍也给产品的质量认证带来制约，并限制了3D打印扩展到更广阔的工业领域。
所以，对于企业来说买了昂贵的设备只是第一步，还需磨练内功驾驭从材料到建模以及加工工艺，其中“如何通过仿真模拟来获得可靠的设计？”，“仿真模拟如何增强增材制造设计的稳定性？我们能不能第一次就打印出想要的产品？”是企业需要面临的一大挑战。
仿真
贯穿设计全过程
在3D打印中，仿真在不同的环节都可以发生作用：生成功能性产品的设计，生成晶格结构，校准材料，优化生产工艺，以及优化关键部位的性能表现。
增材制造的优势是独一无二的，从帮助设计人员打破传统制造约束的限制，激发设计师的的设计水平到新的高度。这些都以满足工程要求的性能为目标，而不需要牺牲零件的强度或性能。轻量化就是一个很好的例子，3D科学谷认为可以说感谢有限元优化仿真使得设计师可以更轻松地获得更“靠谱”的设计作品。
图片：达索SIMULIA的 Abaqus仿真优化过程
增材制造还提供了创建极其复杂的内部晶格结构的能力，这是完全不可能通过传统的制造技术来获得。轻量化使得额外的零件重量减少，通过拓扑优化的晶格，不但在晶格大小方面可以实现丰富的渐变风格以满足不同区域的材料分配要求，还可以实现不同区域不同形状的晶格结构，以实现对应的力学要求。某种意义上，3D科学谷看来材料变得“可编程”。
图片：通过分配晶格大小何形状来优化零件力学性能
“可编程”的材料，以金属合金为例，高强度的激光被应用到粉末床上，沿着计算机辅助设计的软件模型引导的路径来层层熔化金属。融化的金属粉末冷却凝固又与新一层冷却凝固的金属结合在一起，这其中的相变，冷却率，打印速度等机械加工参数都引导冶金和微观结构的变化。
这些增材制造出来的零件，比传统的制造方法如铸造的力学性能强。然而，这与多尺度、多物理性质的制造工艺有关。通过有限元仿真软件，可以实现金属微观力学行为的物理特征呈现，使得对设计的模型在增材制造过程中将要发生的微观变化实现更好的控制。
图片：达索SIMULIA的 Abaqus分层仿真过程
除了材料的特性化，增材制造工艺本身可有潜在的设计与制造不相符的风险。在设计的部分中，不考虑无应力或扭曲的发生，并以标准材料定义的方式分配而不考虑合金的金属加工属性。然而，在增材制造过程中，是个热传导的过程，残余应力的产生，发生扭曲，以及材料的变化在过程中都会发生。（详见3D科学谷12月1日发布的－你所不知道的微世界，激光是如何融化金属粉的？）
这时候你就需要一个强大的工具来研究工艺参数如影响沉积的路径，构建方向和热强度。通过软件来研究如何优化残余应力，降低部分扭曲和改变材料的热加工行为，使得材料满足零件的静载荷、动载荷、振动性能。
图片：达索的Isight热性能与应力仿真分析
最后，你还需要考虑在零件的疲劳寿命，有限元仿真为增材制造的部件材料的疲劳寿命提供评估，使得从设计阶段开启零件的完整生命周期的有效把控。
需要
引起重视的
很多人把有限元分析与仿真等同起来，其实，有限元分析是一般仿真软件使用的方法，有限元分析软件是对结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法软件。而金属增材制造设计过程中对力学性能的仿真与优化直接成为设计的成功与否的关键因素。
企业在招聘人才的时候，市场上并没有多少直接可用的3D人才，企业需要“拼接”跨领域人才的长板以搭建企业自身的竞争优势。而仿真领域的人才将是长远竞争最激烈的一部分。
在3D科学谷看来，软件的应用将是3D打印的终极PK, 高校在设置3D打印专业的时候，亦需要考虑软件领域的课程内容设置以及课程比重。包括3D的设备厂商，软件将充分挖掘设备的潜力，设备厂商将转型为基于软件的行业方案解决商。
我们国家在仿真软件领域是短板，仿真用到大量数学算法，我们一直倡导数学是基础学科，但学生在报考数学专业的时候并不清楚数学的用途，可见全民对数学价值的低谷与迷茫。而国际上，尤其是美国每年都会将中国的数学高端人才许以全额奖学金“挖”到美国的高校继续学习并从事科研工作，从战略上重视STEM科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）的价值可以说是发达国家的精明和值得学习的地方。加上自身高端人才的储备，发达国家开发仿真软件颇具优势，仿真软件在国际上从50年代就开始兴起，在增材制造的行业潜力背景下，仿真软件亦迎来了历史型的发展机会。中国要赶上，面临的直接问题包括如何构建这样的人才基础，来开发和使用仿真软件。
让我们共同期待，国家支持增材制造行业不要升级当前的3D打印浮躁风气，国家不仅关注硬件的硬实力，还关注软实力。
亲爱的谷粉，对于仿真在增材制造过程中发挥的作用有何切身体验？或者，你是否正在考虑进入或投资增材制造领域？欢迎点击3D科学谷微信公众号右下方谷粉互动进入谷粉Connect社区分享你的观点，发布你想要寻求的帮助。
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