Insights l 為多材料3D列印做好準備的設計軟體

2020-12-05 3DScienceValley

近日，來自哈佛大學工程與應用科學學院的研究團隊在頂級期刊Nature 上發表了一種新型多材料全彩3D列印技術的研究論文，這一技術因在改變設計、製造功能性零部件方面的潛力而備受關注。

多材料3D列印技術旨在通過有效的材料組合實現豐富的功能結構，雖然目前基於聚合物、金屬以及或陶瓷的多材料3D列印還處在起步階段或商業化前的階段，但這個領域充滿了可能性，因為多材料的應用可以使工程師有更多的自由度實現設計要求。

材料組合的範圍會受到一些基本限制，不過基於多材料3D列印技術的材料組合的可行性正被逐漸得到證實，例如NASA成功測試的由銅合金和Inconel合金製成的3D列印火箭發動機點火器，該零件通過DMG MORI（德馬吉森精機）開發的混合3D列印工藝製造。

多材料3D列印技術的出現將在考慮材料分配和特性的情況下改變計算機輔助設計（CAD）流程，需要通過CAD軟體將材料明確「分配」在零件體積內的某些位置以提供所需的功能。本期，3D科學谷將介紹幾種為多材料3D列印做好準備的設計軟體。

基於體素的設計

典型的CAD 最適合於傳統製造，用於構成零件的基本形狀和修改過程，反映了典型的原材料幾何形狀（板，塊，圓柱，管等）和成形/加工方法（擠壓，切割，倒角，倒角）。由於材料成分在整個過程中都是單一的、均勻的，因此通過定義其邊界即可簡單地表示CAD中的立體圖形。而在多材料3D列印技術中，需要通過CAD軟體將材料明確「分配」在零件體積內的某些位置以提供所需的功能。這意味著體積不再只能由其邊界定義，而是可以將體積定義為較小體積單位的集合，體積單位可以分別指定為一種材料或另一種材料。這些小體積單位稱為「體素」。

基於體素的設計已被多家軟體公司認識到，並且已經開發了「體素引擎」，這些軟體可以設計由體素單元組成的零件並可以隨後（或同時）將像素指定為某種材料。一些具有前瞻性的軟體企業正在開發多材料3D列印設計的功能，隨著多材料3D列印技術的成熟，將用於生產高品質的先進組件。

Monolith

Monolith 是第一個專門為基於體素的多材料組件設計而開發的軟體，它是由前哈佛大學設計研究院的研究人員Panagiotis Michalatos和Andrew Payne開發的，主要用於藝術品和原型設計，特別是與Stratasys的材料噴射3D列印系統結合使用時，該軟體可以支持列印具有不同材料特性的多色彩樹脂材料。

基於Monolith設計的基於體素的模型

Monolith具有豐富的功能，使用戶能夠創建複雜而美觀的設計。體素化的幾何形狀可以通過免費的「Painting」功能，選擇和組合預定義的形狀以及沿軸掃描2D位圖並組合來實現。該軟體還可以根據數學方程式在空間中分配體素，由於每個體素都包含有關材料成分的信息，因此還可以通過自由繪製、漸變以及許多現成的功能和樣式在體積內定義不同材料的分布。

在Stratasys Object Connex 系統上列印的零件

對於已經參數化設計零件的工程應用，Monolith 有一個導入STL文件的選項，導入後會生成一個需要用體素填充的「薄殼」。這一功能為工程師提供了一種實用的多材料零件設計途徑，即以熟悉的方式定義零件尺寸，並在進行多材料列印之前在體素化的體積上執行材料操作。

Monolith軟體最初是出於學術目的開發的，其未來的商業價值目前並不清晰，但CAD軟體巨頭Autodesk 或許是看到了該軟體的商業潛力，在2015 年將其收購，但尚未作為正式的產品出售。

nTopology

nTopology的nTop Platform是一個為了先進位造的功能性零部件設計而開發的軟體套件。nTop Platform可以執行獨立的設計和分析功能，但也可以從各種流行的參數CAD系統中導入零件幾何形狀和機械仿真數據。

用迴旋狀結構填充的葉輪

nTop Platform 支持使用晶格填充結構和保持零件強度並減輕重量的其他功能來修改設計。由於形狀是由半連續函數定義的，只有在導出模型進行3D列印時才必須定義體素解析度。設計師在創建零件之前不需要任何有關增材製造系統解析度的先驗知識，因此可以導出具有不同體素尺寸的不同版本，從而在不同系統中進行列印。nTop Platform 的未來版本將包括多材料設計功能。

Hyperganic

Hyperganic 是一家德國初創公司，其目標是通過將大部分設計過程留給其「體素引擎」而徹底改變零部件設計的範式，充分利用增材製造在實現幾何自由度方面的優勢。

Hyperganic算法實現的銅熱交換器與火箭噴嘴

體素引擎是一種創成式算法，可根據需要在一定體積內構建體素，以滿足用戶定義的約束（例如載荷條件，固定點，材料密度等）。通過這種方式，設計過程從本質上被顛覆了，不是設計師來決定在何處以及如何分配材料。Hyperganic團隊公開展示的3D列印設計案例包括由Heraeus用銅3D列印的換熱器，以及一個帶有內部共形冷卻通道的火箭噴嘴。

Hyperganic 在接受NAMIC 採訪時透露，他們需要發展的一個關鍵領域是金屬多材料3D列印，並表示一旦能夠實現在與絕緣材料混合的工作流程中可靠地列印金屬材料，那麼將打開3D列印技術在機電設備製造領域的應用。多材料設計似乎是Hyperganic現有功能的擴展，他們聲稱已經能夠在體素級別上控制列印參數，並且可以根據印表機的解析度來定義體素解析度。從軟體和處理的角度來看，這可能是區分一種類型的材料的體素與另一種類型的材料所必需的。

該公司正在與需要Hyperganic的體素引擎用於特定應用的公司建立收益共享合作夥伴關係。

ParaMatters

ParaMatters 開發名為CogniCAD的軟體，該軟體可提供新零件的創成式設計與現有CAD模型的拓撲優化。除了根據施加的應力自動優化多孔內部介觀結構的功能外，他們還公開了一種多材料拓撲優化功能。ParaMatters 公司的聯合創始人兼首席技術官Michael Bogomolny博士曾展示過多材料零件優化的示例，一個由鋁和鈦兩種金屬製造的優化零件重量約2 kg，但單獨使用鋁材料製造該零件重量約5千克，混合材料零件重量減輕了60％。

鋁/鈦多材料零件（下圖，紅色=鈦，灰色=鋁）

CogniCAD的核心是一組專有功能，這些功能基於給定負載和合規性約束的應力分布的有限元分析來分析和優化零件設計。為了進行此類分析和優化，必須將模型離散化為具有小體積元素的網格，這種離散化過程類似於體素柵格化，CogniCAD已經具有向網格元素分配各種材料的功能，並且已經對材料組合的界面強度進行了一些假設。

Additive Flow

Additive Flow 是用於多材料和多屬性設計的創成式設計軟體，Additive Flow 提供了明確面向多材料設計的軟體插件（用於Rhino CAD）。Additive Flow 可以處理具有自定義參數的單一或多種材料的製造能力，並運行實時自動化仿真和優化，在創成式設計過程中提供快速建議和折衷方案。

Alcoa支架的應力分析（上）與相應的離散多材料分配（下）

Additive Flow 的獨特功能包括：設置單一材料的參數，多種材料及其製造能力的兼容性，該軟體提供了從單一材料到多種材料的清晰對比，因此受約束和不受約束的設計工程師都在材料、幾何形狀和應用方面有更多選擇，以滿足他們的技術要求。目前一些希望實現功能梯度材料設計的設計師正在嘗試使用Additive Flow。

Additive Flow 正在和成熟的3D列印設備企業合作，涉及到的3D列印技術從冷噴塗、定向能量沉積（LMD）、粉末床金屬熔融、粘結劑噴射到熔融沉積成形。例如Additive Flow 已與冷噴塗和定向能量沉積3D列印企業建立了合作，開發在不發生金屬間化合物的情況下，將具有適當過渡的不同材料連接起來的方法。

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《3D列印發展趨勢及中國市場的機遇與挑戰》

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