软筋骨撑起新制造 - 增材制造三部曲(下)

时间:2019-10-19 09:59       来源: 安荣保健品有限公司

个性化定制的制造趋势成为主流,增材制造的优势正在显露无疑,不但速度快、能耗低,而且解决了传统工艺带来的模具成本问题,同时实现任意复杂形状的零件的“自由制造”。

如何能将这些功能与软件进行集成就显得愈加的重要,这就又回到了“软件定义制造”的路上,而基于软件平台的创新将淋漓尽致地体现在增材制造上。

软件引领创新

增材制造作为一项新的制造技术,如要充分利用其所带来的颠覆性变革,就必须要求对传统的工程设计流程进行重新思考。根据罗兰贝格的增材制造公开报告《Additive Manufacturing – next generation》,一个增材制造零件,从工程设计到制造,所经历的典型增材制造软件流程链的变化,如图1:

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图1-增材制造的全软件流升级

信息来源:罗兰贝格报告《Additive Manufacturing – next generation》,

南山工业书院整理

众所周知,传统的工程设计中,零件的设计主要由CAD和有限元分析软件来完成,其中包括计算流体力学仿真,基于模型定义的仿真。而增材制造软件流,在传统的工程设计流程中增加了更为先进的拓扑优化和结构晶格化两个环节,通过不断的仿真优化,迭代出最优方案。经过拓扑优化设计出的复杂零部件,其精致程度甚至与仿生学设计相似,能够达到常规制造方法无法企及的高水平,在成本方面,更是远远低于功能性设计。

这种面向增材制造的软件仿真体系,符合产品设计的发展趋势,既能实现新颖、轻量化的设计,又能大大减少对设计者的经验要求从根本上释放仿真技术的价值,从而支撑企业研发创新。

面向增材制造的软件体系,既在工程设计中的具有较高关联性,又能为增材加工过程提供强大支持,从设计到制造,陪伴着一个零件从无到有的 “成长”,在增材制造中扮演着越来越重要的角色。

增材制造的软筋骨

增材制造软件产业的发展趋势是全面整合与集成。在工程方面,当前还没有任何一家公司能够覆盖增材制造软件的全流程。无论是为增材制造提供产品和服务的软件供应商,还是增材制造企业自身,都在不断整合软件资源,纷纷在增材制造软件领域布局。

1、Autodesk

Autodesk 公司作为全球最大的二维、三维设计和工程软件公司代表,在近几年连续收购了几家专注于增材加工环节的专业公司后,极有可能成为第一个能够为增材加工提供全方位软件解决方案的公司。

第一个阶段:核心业务,主要包括传统设计和仿真解决方案(计算机辅助设计,有限元分析,计算流体力学仿真,基于模型定义的仿真);

第二个阶段:2014年收购WITHIN,其主要业务为设计优化软件(基于有限元分析的优化,结构晶格化);

第三个阶段:2015年收购NetFabb,其主要业务为专注于3D打印的软件(生成支撑结构,分层切片,激光术路径和参数优化)。

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图2-Autodesk 公司并购路线图

信息来源:罗兰贝格报告《Additive Manufacturing – next generation》,

南山工业书院整理

Autodesk公司覆盖整个AM软件流程链如图3所示,边加强3D设计工作,同时在推广3D打印技术,在虚实融合的新型制造中,Autodesk选择了增材制造。正在爆发的3D打印革命有望将工业制造能力重新引入大众制造,有望促进个体的工业设计力量与大型工业系统的融合。

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图3-Autodesk 布局3D设计与推广

信息来源:南山工业书院整理

从增材制造全价值链的高度来看,工程部分只是增材加工过程的一个组成部分,首个集成化的软件平台已经诞生,其全流程如图4:

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图4-集成化的软件平台全流程

信息来源:南山工业书院分析整理

2、3D systems

3D systems作为世界上增材制造的领军企业,同时也是业内的疯狂收购者,在短短几年时间内,3D Systems成功地进行了20多次收并购,其中不乏软件公司,如图5,其在增材制造软件领域布局与扩张的雄心可见一斑。

2013年1月,3D systems收购Geomagic,Geomagic是一家世界级的软件及服务公司。其软件和服务在众多工业领域,比如汽车、航空、医疗设备和消费产品都有应用。其3D CAD设计、检测和扫描软件技术,为3D Systems构建起软件平台,这无疑会大大拓展3D Systems的产品阵容,并加快其进入工业打印机领域的进程。

2013年8月3D Systems公司于8月5日宣布收购TeamPlatform 。TeamPlatform是基于云计算协同设计和项目管理的平台,通过该平台,可以使产品设计、工程服务和制造业公司共享数据以及方便地进行3D打印项目合作。3D Systems公司表示,它计划尽快将TeamPlatform的技术融入其产品领域,包括Geomagic解决方案和Cubify平台。

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图5-3Dsystems收购Geomagic和TeamPlatform

信息来源:公开信息,南山工业书院整理

3、SIEMENS

近年来,为进一步巩固在工业软件领域的霸主地位,SIEMENS一方面频频出手进行了令人眼花缭乱并购与整合,另一方面则积极致力于下游行业应用与解决方案的开发,增材制造便其所关注的重要领域之一。

2016年底,SIEMENS与德国通快(TRUMPF)宣布将共同合作开发一款软件解决方案,将用于增材制造的NX软件技术与TRUMPF生成处理器技术进行整合,实现在集成化的软件环境中解决整个数字流程链,无需使用单独的应用程序进行零件设计和数据准备。将使得金属零部件的增材制造过程成为生产过程中一个不可或缺的组成部分,从而推动激光金属熔合技术的工业化。

2017年1月,SIEMENS发布基于集成的设计、仿真、数字制造、数据和工艺管理软件的全新增材制造综合解决方案。集成的解决方案将在所有阶段使用智能产品模型,无需在应用或工艺之间转换或翻译,同时使用新的拓扑优化功能实现设计的自动生成。

同月,与知名比利时3D打印公司玛瑞斯(Materialise)签订协议,共同打造一套面向增材制造技术设计和制造的无缝流程,将专注于精简与优化增材制造流程的设计。

2017年3月,科罗拉多州的软件公司Frustum也对外发布消息称,其将为Siemens NX软件提供拓扑优化生成器,SIEMENS将把Frustum的技术添加到其“端到端添加剂制造解决方案”中,以便更好地帮助工程师为3D打印优化零件设计,全面加快设计流程,让逆向工程成为产品设计领域更普遍、更有效的操作。

与GE Additive针对OEM的收购与整合战略相比,SIEMENS通过NX推进其3D软件解决方案和工业3D打印应用的这一套“软技法”可谓另辟蹊径。

事实上,很多软件公司都在寻找着机会。微软曾在Win8.1中就开始尝试让3D打印变得更简单。而Win10中已经集成了Autodesk的3D打印功能,创造出一种易于使用的文件格式,可以直接用于3D打印机。从某种意义上说,它也是一种行业标准。在3D打印桌面机软件方面,微软一直在努力。相信3D打印终将进入家庭,像2D打印机一样普及。

软件到平台战略

比利时的Materialise公司与荷兰的Additive Industries公司都已经在打造基于AM过程控制与集成的多功能软件平台,提供更高效化快捷的管理方案,并已在常规批量生产中得到验证,如图6所示。

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图6-Materialise公司Additive Industries公司的软件平台布局

信息来源:公开信息,南山工业书院整理

由此看来,集成化的软件平台不是仅仅服务于增材制造的工程环节,而是贯穿设计、开发、仿真/样机构建、试验及售后等各个阶段、不可或缺的中坚力量。

首先,从产品设计的角度,以软件为主导的创新,已经体现在传统的研发设计和仿真验证当中。增材制造则在传统CAE软件流的基础上,进一步补充了增材制造的专业软件来深度优化产品设计,例如拓扑优化和晶格结构化的软件。

其次,软件不仅与产品有着越来越强的相关性,而且也为增材制造技术开发和增材制造工艺方面提供了强大的支持,正所谓传统工程技术环节越来越趋同于软件工程。

最后,为了更有效地满足市场需求和赢得市场竞争,越来越多的软件供应商致力于通过打造集成化的软件平台来强化自身平台化服务能力,来取代以往仅仅向客户供应单一软件的业务模式。而增材制造领域对于软件平台的需求已经形成,各种相关应用自然就会层出不穷。

结语

作为一项正在走向新征程的制造技术,增材制造的发展必然会跳出传统加工制造的范式,不会是简单的用增材制造去替代现有加工方法,而是寻求与传统加工的有效互补与融合,最终形成更具期待性的产业价值链。

而软件,无疑将扮演越来越重要的角色,甚至成为增材制造领域市场竞争的关键决胜要素之一。

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