適用于 3D 打印零件的頂級仿真軟件

魔猴君  知識堂   269天前

了解零件設(shè)計在壓力下的表現(xiàn)對于工業(yè)設(shè)計師、工程師或 3D 打印領(lǐng)域的任何人來說至關(guān)重要。事實(shí)上，工程仿真軟件已經(jīng)發(fā)展。它變得更容易使用，并超越高度專業(yè)化的應(yīng)用程序進(jìn)入主流產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)，使更多的人能夠節(jié)省時間、降低成本和創(chuàng)新。

在設(shè)計功能部件時，對一個又一個原型進(jìn)行破壞性測試會浪費(fèi)大量的時間、材料和金錢。當(dāng)然，一些現(xiàn)場測試是必要的，但今天的軟件模擬可以大大減少您重新設(shè)計零部件的時間。當(dāng)在緊迫的期限內(nèi)工作或什至作為一個副項(xiàng)目時，這是理想的選擇。

Autodesk Fusion 仿真工具可幫助您找到并修復(fù)設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)（來源：Autodesk）

了解您需要盡快重新設(shè)計并了解設(shè)計背后的機(jī)制（或機(jī)械問題），可以讓您成為更好的設(shè)計師。在生產(chǎn)之前了解設(shè)計的機(jī)械性能的能力非常強(qiáng)大，尤其是在增材制造中，您經(jīng)常會使用以前從未使用過的材料來構(gòu)建之前從未制造過的獨(dú)特零件。

讓我們來看看最好的模擬工具和實(shí)踐，它們可以幫助您更智能地從想法到最終零件。

仿真軟件

Ansys Discovery 仿真軟件（來源：Ansys）

虛擬壓力測試可以讓您評估當(dāng)前設(shè)計對其任務(wù)的適用性以及可以改進(jìn)的地方。了解設(shè)計的機(jī)制將使您了解哪些設(shè)計特征可以改變零件中特定區(qū)域的應(yīng)力行為。當(dāng)您進(jìn)行制造設(shè)計時，這一點(diǎn)就會發(fā)揮作用，即當(dāng)您意識到設(shè)計將如何生產(chǎn)（注塑、3D 打印、數(shù)控加工等）或是否可以生產(chǎn)時。

例如，也許您選擇的用于減輕支架重量的填充物實(shí)際上使其無法完成其任務(wù)，或者您重新設(shè)計的用于將零件合并成一個復(fù)雜形狀的散熱器組件可能無法按預(yù)期發(fā)揮作用。這些問題可以通過仿真軟件發(fā)現(xiàn)并糾正。

新的軟件工具直接解決模擬中的 3D 打印問題，而其他軟件工具則已擴(kuò)展到納入增材制造設(shè)計原理。

但是哪些模擬測試可以提供必要的信息呢？下面，我們將介紹最流行且價格實(shí)惠的計算機(jī)輔助工程軟件工具 Fusion 360（今天稱為 Fusion）中的模擬工具，作為這些程序通常如何工作的示例。

我們將向您展示如何使用 Fusion 應(yīng)用模擬測試。然后，我們將了解仿真分析與其他工業(yè)軟件（例如 Ansys、Creo Simulate、NX 和 Abaqus）的一些差異，以及它們提供的更強(qiáng)大的仿真環(huán)境。我們還將介紹流程模擬軟件，這些產(chǎn)品可以模擬 3D 打印本身的流程，使您能夠在構(gòu)建室中發(fā)生翹曲和扭曲等構(gòu)建故障之前預(yù)測并糾正它們。

但是等等，首先您需要了解一些機(jī)械工程概念（如果您還不了解）——最重要的是：有限元分析 (FEA)。

什么是有限元分析？

模擬構(gòu)建和實(shí)際構(gòu)建（來源：Ansys Additive Solutions）

FEA 研究零件或組件如何在其環(huán)境中相互作用，無論是發(fā)動機(jī)中的熱量和壓力，還是太空中的寒冷和失重。它考慮了零件的機(jī)械和材料約束，并將其應(yīng)用于數(shù)字模擬?？傮w目標(biāo)是了解零件在特定應(yīng)力和應(yīng)變下的表現(xiàn)。

用更專業(yè)的術(shù)語來說，FEA 是使用稱為有限元法(FEM)的數(shù)值數(shù)學(xué)技術(shù)來模擬任何給定的物理現(xiàn)象。不用擔(dān)心，該軟件主要會為您進(jìn)行數(shù)學(xué)計算。

正如我們已經(jīng)提到的，仿真可以節(jié)省構(gòu)建原型和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時間，節(jié)省構(gòu)建原型的材料和測試原型的測試臺的資金，以及機(jī)械師等外部幫助進(jìn)行更多迭代。

在增材制造行業(yè)中，使用 FEA 是節(jié)省開發(fā)時間和成本的關(guān)鍵。但還有更多。將 FEA 納入增材制造工作流程的其他好處包括：

更好地了解材料選擇和選項(xiàng)

更好地了解適當(dāng)?shù)臏y試場景，以準(zhǔn)確地對您的零件進(jìn)行壓力

盡管 FEA 具有巨大的優(yōu)勢，但它并不能消除某些物理測試的必要性。仍然需要進(jìn)行測試。在計算機(jī)上進(jìn)行模擬 (FEA) 與在現(xiàn)實(shí)場景中在測試設(shè)備上進(jìn)行測試之間存在差異。但模擬通?？梢苑乐鼓M(jìn)行錯誤的物理測試、走完全錯誤的設(shè)計道路以及使用不合適的材料進(jìn)行構(gòu)建。

Fusion 360 中的應(yīng)力模擬（來源：Autodesk）

當(dāng)您繼續(xù)使用 FEA 和 FEA 軟件工具時，您將更好地了解需要多少特定于力的應(yīng)用程序，以及這如何決定分析的成功或失敗。對于該過程的新手，請隨意進(jìn)行多次模擬，直到結(jié)果有意義為止。

從那里，您將能夠相應(yīng)地修改您的設(shè)計，對其進(jìn)行原型設(shè)計，然后在現(xiàn)實(shí)場景中對其進(jìn)行測試。將您的分析與準(zhǔn)確的壽命測試結(jié)果進(jìn)行比較，以改進(jìn)您的物理測試或模擬設(shè)置和參數(shù)，或兩者。

FEA 軟件或帶有 FEA 工具的計算機(jī)輔助工程 (CAE)/計算機(jī)輔助設(shè)計 (CAD) 軟件通常很復(fù)雜，應(yīng)該在能夠運(yùn)行模擬而不會陷入困境的硬件上運(yùn)行。在本文后面，我將介紹可用于對 3D 打印零件運(yùn)行有限元分析的軟件包及其系統(tǒng)要求，這是值得注意的。

Fusion 360 模擬選項(xiàng)（來源：Autodesk）

設(shè)置模擬的周界

在開始使用 FEA 之前，您還應(yīng)該了解一些有關(guān) FEA 的知識。主要是，雖然軟件模擬了壓力，但你仍然需要告訴它如何模擬壓力以及模擬什么壓力。

FEA/CAE 軟件包中有幾種不同類型的仿真。

靜態(tài)分析研究零件在應(yīng)力和應(yīng)變下的變形。這是最常見的結(jié)構(gòu)分析類型之一。

動態(tài)分析將噪聲、振動和加速度引入其中。

另一方面，多體動力學(xué)包括具有多個運(yùn)動部件（例如發(fā)動機(jī)）的多維、復(fù)雜組件上的應(yīng)力。主要目標(biāo)是了解系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的不是一種力量，而是多種力量，以及這些外部因素如何影響每個部分。

在開始分析設(shè)置時，需要記住一些事項(xiàng)。根據(jù)您的應(yīng)用，可能有一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可供您研究。這使您更容易設(shè)置。通常，這些標(biāo)準(zhǔn)包括邊界條件和初始參數(shù)，具體取決于您的應(yīng)用。有時，會使用初始參數(shù)來定義研究，例如施加的力、材料屬性、攻角、壓力、方向等。

另一個重要術(shù)語，安全系數(shù)，是指零件的強(qiáng)度與其最大應(yīng)力之間的比率。確保您使用適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和假設(shè)正確地設(shè)置您的研究。

運(yùn)行模擬應(yīng)包括以下步驟：

使用 CAD 軟件對零件或裝配體進(jìn)行建模

生成網(wǎng)格模型

確定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)邊界條件（如果適用）

運(yùn)行模擬

后處理和分析。得出結(jié)論，并根據(jù)需要細(xì)化網(wǎng)格或重新設(shè)計零件并重新運(yùn)行模擬。

請記住，運(yùn)行 FEA 仿真并不是一個一勞永逸的過程。這是一個迭代過程，涉及測試初始參數(shù)和初始設(shè)計。然后您獲取結(jié)果、分析它們、改進(jìn)設(shè)計并重新測試。沖洗并重復(fù)，直到結(jié)果符合您在研究開始時概述的成功標(biāo)準(zhǔn)。如果不需要更改設(shè)計，您就有了一個工作設(shè)計，您確信該設(shè)計將提供可接受的性能。

融合模擬

Fusion 360 中的事件模擬可以預(yù)測跌落和撞擊的影響（來源：Autodesk）

現(xiàn)在您已經(jīng)熟悉了 FEA，接下來我們來討論一下 Autodesk 在 Fusion 中提供的功能以及作為可選仿真擴(kuò)展的功能。

Fusion 的基本訂閱中有模擬工具，包括：

靜態(tài)應(yīng)力

型號頻率

熱分析

熱應(yīng)力

結(jié)構(gòu)屈曲

非線性靜應(yīng)力

事件模擬

形狀優(yōu)化

靜態(tài)應(yīng)力將允許您確定模型或組件的最大應(yīng)力和位移。在處理系統(tǒng)振動時，模態(tài)頻率會發(fā)揮作用。熱分析負(fù)責(zé)熱分布及其對零件的影響。屈曲旨在了解零件在壓縮下會發(fā)生什么情況或如何失效。了解非線性應(yīng)力使您能夠在裝配體中使用非線性材料來分析永久變形。事件模擬將時間依賴性引入模型中，這對于實(shí)時模擬非常有用。

我的大部分有限元分析經(jīng)驗(yàn)都來自非線性應(yīng)力分析和事件模擬。討論的重點(diǎn)是形狀優(yōu)化，介紹如何使部件輕量化或剛性化，從而提供生產(chǎn)的成本效率和可持續(xù)性。

我使用 Fusion 的 FEA 軟件為我的一位客戶改進(jìn)了相機(jī)支架的設(shè)計。我經(jīng)營一家產(chǎn)品開發(fā)公司，其任務(wù)是增強(qiáng)客戶的設(shè)計并確保設(shè)計能夠滿足他們的要求。使用 FEA，我能夠確定：

在其環(huán)境中使用的安裝座的最佳設(shè)計是什么

隨著時間的推移，零件會受到什么力

額外的減少和修改以保持安裝的剛性

由于安裝座承受高重力（漂移、加速度突然變化），因此我進(jìn)行了事件模擬，以了解零件的壽命以及如何進(jìn)一步完善設(shè)計。鑒于 Autodesk 一直在通過頻繁更新改進(jìn)其軟件包，我決定使用 Fusion 360 的 FEA 軟件。對于小型初創(chuàng)公司來說，F(xiàn)usion 的價格也相對便宜。

更不用說，Fusion 包括非常方便的增材制造和生成設(shè)計工具包，我喜歡將我的工作流程包含在一個軟件包中，我可以在其中設(shè)計、改進(jìn)、分析和制造。

當(dāng)然，如果您想在 Autodesk 生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行更加復(fù)雜的模擬，可以使用 Fusion Simulation Extension（1,465 美元/年）。此擴(kuò)展具有更強(qiáng)大的模擬工具，包括：

非線性靜態(tài)應(yīng)力：大變形、運(yùn)動、接觸和負(fù)載變化行為）

結(jié)構(gòu)屈曲

事件模擬：預(yù)測隨時間變化的力如何影響 3D 設(shè)計性能。

模態(tài)頻率：檢查自然、自由振動對您的影響

注塑成型

電子冷卻：識別因過熱而導(dǎo)致電子元件和零件故障的風(fēng)險

衍生式設(shè)計：探索滿足您的設(shè)計規(guī)范的多種結(jié)果，同時減輕重量并提高性能。

熱模擬：微量熱傳遞和溫度引起的應(yīng)力

注塑模擬對于比較 3D 打印零件與相同注塑零件的性能特別有用。

Autodesk 還提供增材制造仿真工具，作為 Additive Build Extension for Fusion 的一部分，但它不是 FEA 工具，而是允許您復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界的增材制造工藝（選擇性激光燒結(jié)、粉末床融合等）并預(yù)測變形和常見的打印故障。根據(jù)模擬結(jié)果，F(xiàn)usion 可以自動補(bǔ)償幾何形狀，以在 3D 打印時獲得所需的形狀。該功能的更高級版本可通過 Autodesk 的 Netfabb 軟件獲得。

但是，對于那些不太熟悉該技術(shù)的人來說，Fusion core FEA 是一個很好的入門工具。它使用 Autodesk Nastran 的“精簡”版本，保持軟件的用戶友好性。查看這個方便的教程，介紹如何在 Fusion 中設(shè)置模擬。

當(dāng)然，還有更強(qiáng)大的模擬程序。我們下面提到的一些產(chǎn)品不僅能夠模擬幾乎任何壓力或事件，而且還可以幫助您更好地重新設(shè)計零件。這些解決方案還在產(chǎn)品生命周期的每個階段（從概念到印刷到質(zhì)量保證）納入了多個級別的模擬，以創(chuàng)建完整的閉環(huán)。

頂級仿真軟件

下面的軟件包允許進(jìn)行更深入的非線性模擬、多物理場、網(wǎng)格微調(diào)以及使用不同元素的能力。有些不僅可以運(yùn)行各種模擬場景，還可以提出最佳設(shè)計方向。

您可能會在某些仿真應(yīng)用程序中發(fā)現(xiàn)另一個復(fù)雜的功能，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們在此介紹的內(nèi)容，那就是數(shù)字孿生，它是現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)的完整虛擬原型。

1、Ansys Discovery Simulation 2024 R1

也許最深入的 CAE 軟件包之一來自軟件發(fā)行商Ansys。 Ansys Discovery 不像 Fusion 那樣從設(shè)計開始，然后通過仿真進(jìn)行完善，而是一款仿真驅(qū)動的 3D 設(shè)計工具。為每次分析提供技術(shù)深度是該程序的強(qiáng)項(xiàng)。更不用說每次模擬的細(xì)化和定制水平。它用于模擬機(jī)械設(shè)計、光學(xué)、流體、外科植入物等。

Ansys 提供多種軟件包，包括 Ansys Mechanical（易于使用的通用多用途工具）、Ansys Fluent（用于高級物理建模）和 Ansys LS-Dyna（用于非線性仿真、多物理場等）。他們還提供免費(fèi)試用，僅限于它可以解決的一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，但值得試運(yùn)行。

Ansys 還包括一個增材套件（增材，如增材制造或 3D 打?。?，其特點(diǎn)是：

添加劑制備

增材打印

添加劑科學(xué)

2、Dassault Systèmes Simulia 2024

達(dá)索系統(tǒng) Simulia 軟件中的 Abaqus 有限元分析（來源：達(dá)索系統(tǒng)）

Dassault Systèmes（Solidworks 制造商）的 Simulia 是一款強(qiáng)大的工具，可以在制作物理原型之前加速評估材料和產(chǎn)品的性能、可靠性和安全性的過程。

它提供了廣泛的模擬類型，例如多物理場、計算流體動力學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械靜態(tài)分析等等。對于汽車行業(yè)的工程師來說，這是一個有吸引力的解決方案，因?yàn)樗麄冃枰M從車輛負(fù)載和振動到碰撞和聲結(jié)構(gòu)耦合的許多不同效果。

Abaqus Unified FEA 是 Simulia 的可選產(chǎn)品套件。它具有三個模塊（標(biāo)準(zhǔn)、顯式和多物理場），可以管理涵蓋廣泛工業(yè)應(yīng)用的常規(guī)和復(fù)雜的工程問題。

3、Comsol Multiphysics 6.2

Comsol Multiphysics軟件不適合初學(xué)者，工程師和研究人員可以使用它來模擬跨行業(yè)的真實(shí)設(shè)計、設(shè)備和流程。常見用途包括電池設(shè)計和燃料電池、半導(dǎo)體器件、微流體以及具有化學(xué)反應(yīng)特征的部件的產(chǎn)品設(shè)計。

這是另一個多模塊解決方案，旨在涵蓋從流體和熱到化學(xué)和聲音的工程模擬的所有基礎(chǔ)，使您能夠僅選擇所需的模塊。 6.2 版本的更新帶來了更快的計算速度和改善的用戶體驗(yàn)，最新版本現(xiàn)在使用新的代理模型框架，可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的數(shù)字孿生。

幸運(yùn)的是，對于那些經(jīng)驗(yàn)較少的人來說，它與一長串 CAD 程序集成，包括 Revit、AutoCAD、Solidworks、Solid Edge 等。例如，Comsol Multiphysics 與“LiveLink for Solid Edge”的集成可以幫助您通過仿真優(yōu)化設(shè)計，同時在仿真過程中為您的設(shè)計提供并發(fā)更新。當(dāng)兩個程序同時打開并且您正在求解優(yōu)化研究或運(yùn)行參數(shù)掃描時，雙向更新是自動的。這種集成并不像您在兩個不同的程序之間切換。

4、Siemens Solid Edge & NX 2024

對于大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計師來說，進(jìn)入強(qiáng)大的西門子軟件世界的切入點(diǎn)是該公司的 CAD 工具Solid Works，它內(nèi)置有限元分析 (FEA)。

Solid Edge Simulation 基于有限元建模和 Simcenter Nastran FEA 技術(shù)，具有完整的運(yùn)動仿真套件，因此您可以評估和可視化零件在裝配中的相互作用，了解產(chǎn)品在整個操作周期中的性能以及功能在現(xiàn)實(shí)世界。

西門子在 60 年代為 NASA 開發(fā)了 Nastran。它提供多學(xué)科結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、嵌入式疲勞和振動疲勞分析。 Solid Edge Simulation 中的全新自動化網(wǎng)格生成流程可輕松生成網(wǎng)格，無需參數(shù)即可控制網(wǎng)格。

該公司表示，在最新的更新中，Solid Edge 2024 的改進(jìn)重點(diǎn)是提升用戶體驗(yàn)。使用人工智能和云，可視化現(xiàn)在更快，并且可以按需提供附加產(chǎn)品。

Solid Edge 內(nèi)部的 FEA 是一個功能強(qiáng)大的工具，但高級工業(yè)設(shè)計師會選擇西門子 NX 和 Simcenter 3D 中最先進(jìn)的全功能仿真環(huán)境。

5、Altair Inspire Print3D

當(dāng)談到 Altair 的仿真解決方案時，很難知道從哪里開始。如果可以進(jìn)行模擬，Altair 就有相應(yīng)的工具。幾乎所有工程師、設(shè)計師和研究人員的行業(yè)都被 Altair 覆蓋。

因此，在這里，我們只關(guān)注 3D 打印和 DfAM 功能。

在“工業(yè)設(shè)計”類別下，Altair 提供了用于設(shè)計、可視化和拓?fù)鋬?yōu)化的工具，而在“可制造性”類別下，您可以找到他們所有的仿真工具。有一些模塊可以評估產(chǎn)品可行性，優(yōu)化制造工藝，并對許多傳統(tǒng)、減材和增材制造工藝進(jìn)行虛擬試用，以便進(jìn)行比較。

Altair 的產(chǎn)品可制造性應(yīng)用程序?qū)槎鄠€行業(yè)量身定制，包括汽車、航空航天、電子、制藥和重工業(yè)。事實(shí)上，大約有兩打模擬程序，其中包括 Inspire Print3D，它專門用于使用選擇性激光熔化 (SLM) 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)高效的 3D 打印零件。

編譯整理：ALL3DP