安世中德包剛強(qiáng)：《增材思維驅(qū)動的增材先進(jìn)設(shè)計與工藝仿真一體化解決方案》

安世中德（北京）咨詢有限公司技術(shù)總經(jīng)理包剛強(qiáng)：《增材思維驅(qū)動的增材先進(jìn)設(shè)計與工藝仿真一體化解決方案》的主題演講。南極熊3D打印網(wǎng)小編現(xiàn)場聆聽了專家們的演講。下面是現(xiàn)場速記的文字記錄。

    包剛強(qiáng)：各位專家、各位嘉賓，大家下午好！
    非常容幸有這樣的機(jī)會，跟大家分享一下我們公司對于增材思維驅(qū)動的增材先進(jìn)設(shè)計與工藝仿真一體化解決方案與部分應(yīng)用案例。我分五個專題介紹。
    增材制造有十大優(yōu)勢，在這里面最核心的優(yōu)勢我們認(rèn)為是數(shù)字化表達(dá)，增材的數(shù)字主線在工業(yè)層面，我們發(fā)現(xiàn)有五個底層架構(gòu)去支撐，從標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及到打印的方法、對應(yīng)的技術(shù)以及對應(yīng)的軟件平臺和硬件設(shè)施。在這五大技術(shù)支撐上，增材工藝分八個階段，從最開始基于DFF設(shè)計產(chǎn)生了設(shè)計產(chǎn)品，通過它面向化網(wǎng)格，切片、支撐乃至打印，以及最后我們做后處理，后面做簡材。這八個階段每個階段都跟數(shù)字化驅(qū)動。
    以數(shù)字主線驅(qū)動工藝流程，很容易就銜接產(chǎn)品的開發(fā)整個系統(tǒng)里面四大階段，從最開始產(chǎn)品的設(shè)計，到加工、監(jiān)測，再到后處理以及整個產(chǎn)品的監(jiān)測簡材，以及到最后去安裝、運(yùn)營，我們的產(chǎn)品以及數(shù)字化，由于它的數(shù)字化表達(dá)，使數(shù)字模型和物理模型是息息相關(guān)的。在打印以及監(jiān)測過程中，打印整個過程中的表現(xiàn)，我們通過仿真，通過數(shù)字模型也可以表達(dá)。監(jiān)測中溫度傳感器的擺放，實際上仿真提供了這個過程中溫度優(yōu)化的一些位置、一些點，我們可以用數(shù)字孿生結(jié)合。以及后處理和簡材，都有一定的數(shù)字模型和實際模型，乃至到最后的運(yùn)營、安裝、裝配。
    另外一個數(shù)字化里面的優(yōu)勢，就是剛才康碩集團(tuán)李總提到的，增材分布式制造帶來的基于大數(shù)據(jù)的云制造。好處不言而喻，結(jié)合區(qū)塊鏈，實際上以前五大劣勢由于區(qū)塊鏈可以銜接上，不管從數(shù)據(jù)的分享，乃至到知識產(chǎn)權(quán)的保密，以及數(shù)據(jù)的實施更新，乃至可追蹤性，區(qū)塊鏈正好能夠銜接以增材制造云制造的方式彌補(bǔ)。我相信這兩大優(yōu)勢是增材將來比較重要的優(yōu)勢。
    第二部分，我想分享的是增材先進(jìn)設(shè)計。
    我們要以增材思維來看整個過程，就如先臨三維李總說的，實際上增材過程其實是有很多限制的，要把增材的潛力、優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，在這個過程中要充分利用增材在各個環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，避免它的限制和劣勢，才能使得怎才價值最大化。我們以往的等材和簡材的工藝，產(chǎn)品設(shè)計使得我們基于DFF方式去設(shè)計，增材基于功能產(chǎn)品設(shè)計出來，在DFF基礎(chǔ)上我們?nèi)タ紤]DFAM。包括仿生設(shè)計、創(chuàng)成式設(shè)計，包括其他的一些設(shè)計，它會有一些交叉。比如創(chuàng)成式設(shè)計，設(shè)計其實是工程師設(shè)計了，然后用軟件把這個過程記錄下來。創(chuàng)成式設(shè)計是通過模型用軟件去設(shè)計，找到最優(yōu)的設(shè)計，未必是最優(yōu)，沒有最優(yōu)，只有相對優(yōu)化的設(shè)計方案。拓?fù)鋬?yōu)化其實也是創(chuàng)成式設(shè)計里面優(yōu)化的一種途徑。
    我們來看一下基于增材出發(fā)DFF的分析。這里面數(shù)字驅(qū)動是非常明顯的，我們一個產(chǎn)品的設(shè)計最開始是有需求的，是有它的功能的，基于它的功能我們會梳理一系列的需求。如果產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)品的研究、產(chǎn)品的設(shè)計是以DFF方式出現(xiàn)，我們會有不同的驅(qū)動，不同的產(chǎn)品有不同的需求，包括背后物理性的需求在中間把產(chǎn)品最大化的實現(xiàn)，以往設(shè)計我們考慮到工藝的因素，我們的設(shè)計往往通過經(jīng)驗和工藝的限制設(shè)計產(chǎn)品，以往的經(jīng)驗也是以它為驅(qū)動。如果我們考慮增材，我們需要用物理驅(qū)動的方式獲取到產(chǎn)品的性能，以這樣的性能去設(shè)計新的產(chǎn)品，而增材工藝又能把它實現(xiàn)。所以AM技術(shù)使得我們正向設(shè)計有了更大的可能，而且減少了AM設(shè)計的次數(shù)，我們可以去閉環(huán)，快速去驗證我們的性能。
    一個產(chǎn)品的性能其實是多種性能，我們物理求解器，平臺和功能至關(guān)重要，一起對應(yīng)的產(chǎn)品對于物理性能的理解，對產(chǎn)品的認(rèn)識，決定了我們的程度以及仿真的合理性，以及仿真的精度，這中間需要大量的經(jīng)驗，不僅僅是一個軟件平臺，就能夠使得我們非常好、非常可靠，但是我們的軟件平臺往往又是很基本的一個基礎(chǔ)。
    再來看dfAM，增材有它的限制，不管以現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)品去選，該怎么樣做基于增材的設(shè)計？以往的加工方式，工藝考慮的設(shè)計，我們要充分去評估，我們總共列了14個不同的專題，去評估我們?nèi)绾位�于dfAM使得我們的價值最大化。比如從材料的可打印性、可行性，再到后面一系列的評估，我們重點有三個緯度，一個是業(yè)務(wù)完整的評估，第二個是增材設(shè)計細(xì)節(jié)的評估，再到增材機(jī)會的評估。業(yè)務(wù)評估我們要考慮成本、周期，要考慮能耗的損失，要考慮簡材，要考慮運(yùn)輸以及供應(yīng)鏈，這是對于一個現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)品完整的考慮，考慮清楚了我們選出的產(chǎn)品，它基于增材的設(shè)計、研發(fā)、開發(fā)乃至后面的制造、打印、簡材才有完整的意義，才有近來。第二個很重要的是設(shè)計機(jī)會，我們要考慮基于增材，這個產(chǎn)品做了設(shè)計以后它的價值怎么樣，一定要讓它的價值最大化，不管是整合功能、多家融合，還是輕量化要求，提升我們的性能要求，還是可維護(hù)性等等，我們有很多這樣的一些點。再到一些設(shè)計細(xì)節(jié)，在設(shè)計初期都要去考慮，比如基于dfAM打印有支撐，基于不同的工藝方式進(jìn)行評估。這樣才有可能滿足增材價值最大化，才有可能是增材思維去驅(qū)動產(chǎn)品的設(shè)計。
    再來看拓?fù)鋬?yōu)化。如同前面幾位嘉賓和專家說的，拓?fù)鋬?yōu)化是很主要的方式，使得真正的產(chǎn)品設(shè)計從原來的設(shè)計進(jìn)行一定的優(yōu)化。而現(xiàn)在我們的需求提了、功能提了、設(shè)計空間提了、邊界提了，通過拓?fù)鋬?yōu)化的方式能夠優(yōu)化產(chǎn)品。它可以在概念階段和產(chǎn)品初步階段設(shè)計出產(chǎn)品的個性化外形。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計不是一個新的概念，二十年來，尤其在結(jié)構(gòu)上應(yīng)用已經(jīng)普遍，但是它也有很多挑戰(zhàn)，尤其是拓?fù)鋬?yōu)化核心的算法，現(xiàn)在仍在持續(xù)。拓?fù)鋬?yōu)化核心算法，從建模的拓?fù)鋬?yōu)化算法，一些方法還在不斷研究，再到自身的優(yōu)化算法，再到序列線性規(guī)劃，以及二次規(guī)劃，都有很多算法，但是這些算法到目前為止數(shù)字的穩(wěn)定性還有很多問題，會帶來拓?fù)鋬?yōu)化的邊界以及棋盤效應(yīng)，乃至局部有一些極致的效應(yīng)。所以這部分核心算法也在不斷提升，還需要在這部分做很多的工作。
    第二塊，如果我們把拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計真正應(yīng)用于設(shè)計工程，以往的拓?fù)鋬?yōu)化需要仿真驅(qū)動，需要不斷去替代，效率對設(shè)計工程是一個很大的問題�，F(xiàn)在安世中德有一個解決方案，是Discovery Live拓?fù)鋬?yōu)化，是用GPU加速，所見即所得的仿真結(jié)果以及改進(jìn)的結(jié)果。我們接下來的一個版本中會把拓?fù)鋬?yōu)化加進(jìn)去，以往的分析可能要兩個小時、三個小時才計算完，拓?fù)鋬?yōu)化有可能時間更長，我們用GPU加速的方式，而且不需要畫網(wǎng)格，不需要很多細(xì)節(jié)，很快速就可以得到拓?fù)鋬?yōu)化，可能就是幾分鐘。而且隨著GPU的加速，我們認(rèn)為再過五年到十年，比CPU加速可能快千倍。將來一些產(chǎn)品的外形如何有一個很好的外形設(shè)計，來使得產(chǎn)品性能得到提升？這中間需要拓?fù)鋬?yōu)化或者形狀優(yōu)化去驅(qū)動，乃至到將來電廠、電磁場的拓?fù)鋬?yōu)化也有可能，而且這部分在高校已經(jīng)做很多的研究，接下去我們完全可以想象，在多物理場景平臺下，多學(xué)科和多物理場拓?fù)鋬?yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)。
    再來看鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計分析系統(tǒng)，這是賦予我們仿真的方式去設(shè)計產(chǎn)品的可能性。點陣對不同的物理場對應(yīng)不同的功能，比如可以去減少噪聲，包括電磁的兼容、電磁干擾等等，在點陣設(shè)計里面都有很大的用處。乃至到點陣的仿真分析，比如用多尺度的仿真算法，設(shè)計好了如何去驗證，從微觀到宏觀，再回到微觀，我們團(tuán)隊和我們公司開發(fā)了一個專門的工具，可以基于我們的平臺進(jìn)行點陣的設(shè)計以及分析的途徑。點陣還有很多值得去研究，尤其是點陣的一些破壞模式、點陣與增材打印的影響因素，以及點陣與仿真分析實驗、解析分析等等，需要做很多的工作。
    下面再回到增材工藝仿真。我們知道增材，尤其是金屬，在打印過程中會有控形和控性的要求。但是金屬增材打印機(jī)非常復(fù)雜，這中間有材料的因素，就如同盧院士提到的，材料的配方、材料的范圍以及工差、流動性、球形度，都會影響到打印的質(zhì)量，乃至于打印機(jī)設(shè)備，打印機(jī)設(shè)備縫隙怎么樣、密封性怎么樣，以及刮板、控制等等，都會影響到打印效果。再到打印工藝的設(shè)計，如何設(shè)計支撐，如何定我們的打印方向，如何選擇合理的打印工藝參數(shù)等等。這么多影響因素會影響打印合格的程度，如果這個過程中去試錯成本太高，反過來對工藝仿真需求就提了比較高的要求。仿真的價值可以改善一系列的因素，可以減少打印失敗、時間、不合格的產(chǎn)品，有利于快速去開發(fā)新的材料、新的設(shè)備，以及新的工藝參數(shù)包。
    但仿真很難，工藝的仿真中間有空間和時間緯度的平衡，有宏觀和微觀的問題，就如同上午幾位院士提的，在凝固過程中是非常不平衡的過程，包括里面的機(jī)理，有很多種，涉及的環(huán)境多，不確定因素也多。如何使得仿真能夠給工藝設(shè)計，以及工藝的打印帶來真實的價值？
    我們有三塊解決方案，我們的解決方案針對不同的人群，我們的設(shè)計工程師在初步設(shè)計過程中看看這個產(chǎn)品是否可以打，哪些地方初步變形會怎么樣，怎么擺，自身怎么樣去初步設(shè)計，然后改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計。我們還可以對工藝工程師去做增材工藝參數(shù)的優(yōu)化、選擇，考慮不同的掃描策略，考慮支撐的一些生成，還可以跟工藝工程師和材料工程師去預(yù)測微觀的情況。實際上我們的解決方案涵蓋了整個涉及到工藝需要不同的人群，而且這個產(chǎn)品整個解決方案是一體化的，這中間很多因素目前比較有競爭性和獨特的。
    （PPT圖示）剛才我們說了有一體化的解決方案，從開始的材料，材料其實是中間非常重要的部分，材料的可打印性以及材料打完的特性，以及材料對產(chǎn)品性能的依賴，都使得我們開始去基于材料，基于增材的設(shè)計，不管是拓?fù)鋬?yōu)化，包括設(shè)計、驗證、校合，包括產(chǎn)品性能檢測、運(yùn)營維修等等，這里標(biāo)紅的部分都可以用數(shù)字仿真去驅(qū)動，去形成這部分解決方案。
    在這樣的解決方案中，我們對先進(jìn)設(shè)計和工藝仿真，工藝仿真包含了后處理，這兩點我們有對應(yīng)的經(jīng)驗解決方案。以及在這兩塊我們公司跟工業(yè)界用戶有對應(yīng)的設(shè)計方案的案例，我們公司在這部分長期持續(xù)一直做這部分的工作，可以看到，通過拓?fù)鋬?yōu)化或者創(chuàng)成式和其他設(shè)計，可以使得產(chǎn)品非常簡單、非常美觀，因為產(chǎn)品的設(shè)計其實簡單才是美，不僅僅是外觀，真正性能承擔(dān)最多的地方，整個產(chǎn)品的設(shè)計一定是非常簡潔的。所以基于增材可以把它實現(xiàn)制造出來，對應(yīng)的一些分析案例也可以證明這一部分。
    乃至工藝仿真，最近我們跟不同的合作伙伴一起做這部分的工作，我們有不同的價值以及不同的定位。如何快速去預(yù)測我們的一些變形？我們支撐的影響分析，再到刮板的預(yù)測，再到我們怎么去優(yōu)化支撐，我們減少打印的變形，包括應(yīng)對開裂，再到優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計等等，使得我們的工藝更可行，乃至我們做標(biāo)定，可以基于特定的設(shè)備、特定的粉末，一起基于仿真來做對比和驗證。
    最后我簡單介紹一下我們公司的增材業(yè)務(wù)。我們是一個集團(tuán)，基于增材業(yè)務(wù)有三部分，安世亞太是中國在仿真以及精益研發(fā)，乃至仿真體系的創(chuàng)立者，在數(shù)字化設(shè)計部分我們有一定的經(jīng)驗和領(lǐng)先。德迪（音譯）是設(shè)備和耗材來做制造，安德（音譯）是做打印業(yè)務(wù)。其實增材方向非常美好，但道路很曲折，我們也非常開放，我們需要合作，在這樣的產(chǎn)業(yè)鏈的情況下，我們需要跟大家一起合作，使得增材整個邏輯能夠變得可行。我們現(xiàn)在已經(jīng)和高研院，以及和國內(nèi)、國外合作伙伴一起做這件事情，我們也歡迎國內(nèi)同行乃至國際同行，我們一起談一些合作，使得增材的一些解決方案能夠做的更扎實，能夠盡快落地。我們一定相信將來的增材是非常美好的。
    謝謝各位。