飛速發展的 增材設計與製造軟體

SAE International 國際自動機工程師學會

圖為使用激光束撞擊加工台上的金屬粉末，釋放大量熱能，逐層熔化金屬的過程。我們必須藉助多種不同的軟體工具，才能全面理解最終組件的質量到底與哪些因素有關，包括觀察金屬在生產過程中的移動方式。（圖片來源：Siemens AG）

航空航天業在增材製造工藝應用方面一直處於領先地位，為增材設計與製造的發展作出了突出貢獻。這也將為整個工業軟體領域帶來巨大轉變，包括一些產品生命周期管理 (PLM) 和設計工具。

隨著增材工藝應用開始從少量的原型製造向大規模量產擴張，用於製造航空零部件的數字工具也開始迅速進化。在這個新興領域中，飛機和衛星公司佔據領先地位，軟體公司也緊隨其後，正在競相開發相應的工具，用於優化增材工藝零部件的功能，並滿足獨特設計要求。

「我們將增材工藝視為一個整體過程，」Siemens PLMSoftware 總裁 TonyHemmelgarn 表示，「我們也可以直接用增材製造技術生產現有部件，但如果重新按照增材設計理念，「從無到有」打造全新組件，通常更加容易。」

過去十年中，西門子陸續向各家軟體公司投資了超過 100 億美元。據 Wohlers Associates 數據顯示，2017 年，西門子在增材製造產品和服務方面總投資高達 73 億美元，其中對工具工藝方面的投資占 19%。這足以體現西門子對這一領域的重視，未來的航空航天發展也將從中受益。

在小規模生產階段，增材工藝仍是最具成本效益的製造技術，比如 3D列印技術，就非常適合多種航空航天部件的製造。Wohlers 表示，2017 年增材製造系統的銷量達 1,768套，較 2016 年的 983 套有 80% 的提升。隨著增材製造的規模不斷擴大，我們還需要開發一些軟體，幫助工程師創造可充分利用 3D 列印技術的零部件。

Wohlers 總裁 Terry Wohlers 表示：「設計工具和專有技術，仍然是這個工業領域最大的機遇之一。」

最近，SAE International與CIMdata analysts排行榜上的全球最大 PLM 供應商負責人 Hemmelgarn 進行了會面。Hemmelgarn 詳細介紹了我們必須作出怎樣的改變，才能使用 3D 列印技術高效打造零部件。

「CAE（計算機輔助設計）在工程設計領域的應用已經很多年了，這種工具的效果不錯，但在增材設計方面並沒有優勢。」 Hemmelgarn表示，「適用於增材工藝的有機設計工具應該能夠由用戶提供比如安裝位置、移動需求和應力大小等一系列參數，由此獲得組件增材製造的拓撲結構。工具還應有能力進一步對設計進行優化，比如推薦使用的材料類型等。」

我們必須藉助多種不同的軟體工具，才能全面理解最終組件產品的質量到底與哪些因素有關，其中一個因素就是金屬在生產過程中的移動方式。目前，增材工藝設計仍處於新生階段，這種技術比其他成熟的製造技術更難保證產品質量。

「如何模擬材料的流動非常重要，這樣你才可以看到應力是如何一點點增加的，」Hemmelgarn說，「在放置材料時，你可以使用 CFD（計算流體動力學）模擬流動過程，並觀察設備特性。這對保證可重複性非常重要，因為設備之間仍存在很多不同之處。」

一些列印而成的組件仍需經過繼續加工，或在最後安裝前與其他組件配合使用。為了將增材工藝納入主流生產過程中，組件的組合也是製造商必須考慮的因素。

「建模和列印都不困難，難的是如何制定具有可重複性、可規模化的工業化流程，」Hemmelgarn說，「這些工具需要處理由金屬沉積工藝製成，且可能需要後續加工和精加工的混合工藝零部件。」

隨著監管機構和產品開發人員對這項技術越來越熟悉，增材組件的應用範圍也在迅速擴大。Hemmelgarn預測，在飛機上將很快會看到更多通過增材工藝製造的零部件。

「航空領域的下一個動作是大規模列印艙內部件，」Hemmelgarn 表示，「3D 列印可以支持的零部件尺寸也將越來越大。」

作者：Terry Costlow

來源：SAE International

翻譯：SAE 中國辦公室

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