白皮书 | Ansys在增材制造领域的仿真驱动产品研发愿景

增材制造的未来之路：技术创新与仿真驱动设计


前言

增材制造，亦称为3D打印，有望彻底转变产品设计与制造的范式。依托于前所未有的设计自由度与复杂性能力，增材制造能够一次成型完整的子装配体，大幅减少连接成本，实现零部件的订单式生产，用精确且需求驱动的方式在任何环境（家居、工作、战场或生产线内）即时生成所需零件。然而，为了让增材制造技术得到更广泛的应用与推广，现有的设计与仿真工具有待进行大刀阔斧的升级与扩展。

当前面临的挑战与现状分析

尽管增材制造已历经数十年的发展历史，其应用主要聚焦于原型制作与精密加工领域。近来，随着金属加工领域高性能打印技术的进步，增材制造开始在汽车、航空等工程技术领域挑战传统制造方式。随着新厂商的涌现和现有生产线的快速升级，增材制造行业正迅速革新。全球正致力于深入了解与控制增材制造工艺、材料特性与制造过程，ANSYS等领先企业与研究机构保持紧密合作，共同推动技术前沿。




面临的挑战

1. 设计工具的局限：当前的设计工具并未针对增材制造进行专门开发，仍然依赖于传统的制造工艺设计知识与规则，难以实现基于物理场和高效迭代优化的增材制造设计。设计标准、规则与实际打印操作之间缺乏直接有效的连通机制，设计自由度与可打印性之间存在着冲突。

2. 设计与打印的不连续性：设计完成后的打印过程往往需要人工干预调整，如果构建失败，设计人员需要从头开始，这一过程既耗时且成本高昂。已有的设计与打印流程缺乏无缝集成，导致设计与制造之间的信息流动不畅。

3. 专用工具的加入：增材制造领域涌现了大量专门工具，涉及设计、打印预处理、仿真等多个环节，这些工具链往往需要独立使用，数据与信息的转移通常需手动完成，未能实现设计到构建的自动化流程。

现有技术和解决方案


仿真驱动的产品研发与过程集成

ANSYS在承载物理场仿真、几何模型创建与操作、设计工作流程与自动化能力等方面具有深厚积累。仿真在产品设计周期中的渗透，能够帮助在早期迭代中创建和测试虚拟原型，加速高效设计并缩短总体研发时间。对于传统制造工艺的专业仿真软件，其在设计周期中的应用依然存在不足，而在增材制造领域，设计与打印过程之间的紧密连通性要求更高。

ANSYS的愿景与战略重点

为了实现增材制造的规模化应用与普及，ANSYS追求在ANSYS Mechanical内嵌入“打印”按钮的愿景。这一按钮可以依据设计空间、工程需求及打印机参数生成即时打印设计，增强设计迭代与仿真在增材制造过程中的决策支持能力。现需解决的关键问题涵盖设计、工艺仿真与材料行为预测领域。

技术支柱

1. 设计萃取增材优势：通过拓扑优化、网格化设计与工艺适配设计规则，最大化利用增材制造能力，确保设计的可靠性与可打印性。

2. 过程仿真与设计优化：针对金属增材制造的复杂工艺特性进行过程仿真，确保部件的良率与打印稳定性。对支承设计与打印过程的仿真大大优化部件从打印机取出的步骤，是实现成功设计的关键环节。

3. 材料预测与适配：通过仿真预测材料在打印过程中的非均匀特性，以及加热与冷却周期产生的微观结构变化，匹配设计与工艺要求，实现材料特征的精准定位与优化。