積層製造（Additive Manufacturing, AM），也就是3D列印的技術(shù)運(yùn)用層層堆積原料的方式，製作三維的零件。作為一種實(shí)際的製作技術(shù)，積層製造近年來已日益普及。要運(yùn)用積層製造，必須先將數(shù)位資料檔案?jìng)魉徒o製作零組件的機(jī)臺(tái)。積層製造原本被視為一種快速成型（rapid prototyping）技術(shù)，可以迅速製作多以塑膠為材質(zhì)的原型，然後再以射出成型（injection molding）、鑄造、成型、接合等業(yè)界熟悉的方式生產(chǎn)。這些零件多用在人體工學(xué)、相容性、和功能測(cè)試方面，很少用來量產(chǎn)。

以金屬為基礎(chǔ)的積層製造流程在1990年代被開發(fā)出來，數(shù)家業(yè)者很快就推出雷射燒結(jié)（laser sintering）法，可直接列印3D金屬零件，成為多階段製造流程的替代方案。雷射燒結(jié)（laser sintering）是一種積層製造技術(shù)，以雷射作為獲得粉末（金屬或聚合物）的能源，自動(dòng)將雷射瞄準(zhǔn)3D模型立體定義的點(diǎn)，結(jié)合材料形成固體結(jié)構(gòu)。

為什麼要用積層製造？

相較於傳統(tǒng)製造方式，金屬積層製造有幾個(gè)吸引業(yè)界的優(yōu)勢(shì)：

1.積層製造可製作傳統(tǒng)方法無法創(chuàng)造的零件和結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)或有複雜有機(jī)型狀的零件。一個(gè)用積層製造製作的零件可以取代過往用多個(gè)零件組合的集合。因?yàn)榉e層製造能製作形狀更複雜的零件，我們可以設(shè)計(jì)和運(yùn)用超越用傳統(tǒng)製程所能生產(chǎn)的更高性能的零件。

2.只要用積層製造機(jī)臺(tái)和一些金屬粉末，就可能生產(chǎn)替換金屬零件，以往需要整個(gè)工廠和多個(gè)機(jī)臺(tái)。這點(diǎn)對(duì)國防、航太、和生技產(chǎn)業(yè)特別有吸引力，應(yīng)用範(fàn)例包含在國外製作坦克的替換零件、其他星球上製作太空船替換零件，或在醫(yī)院製作人工膝蓋。

3.創(chuàng)造在積層製造未問世前還沒有的新奇材料。因?yàn)榉e層製造粉床需要將金屬粉末送入機(jī)臺(tái)才能列印零件，積層製造在新材料屬性方面有極大的潛力。在金屬雷射粉床製程中，雷射會(huì)迅速掃描過表面。由於材料硬化的速度極快，會(huì)產(chǎn)生屬性有趣的全新微結(jié)構(gòu)類型。事實(shí)上相較於傳統(tǒng)製造作業(yè)，積層製造使創(chuàng)造新型合金更方便。

4.可替換供應(yīng)商已不再生產(chǎn)的磨損或故障零件。我們可利用積層流程加入新功能，帶來新的重製零組件（remanufacturing components）商機(jī)。

儘管金屬積層製造具有潛力，目前它也有不少缺點(diǎn)。比如說，製程很複雜，需要技術(shù)高超的機(jī)臺(tái)操作員、對(duì)積層製造設(shè)計(jì)（DfAM）具有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)工程師、和價(jià)格可能高達(dá)數(shù)百萬美元，每年維修費(fèi)用也要數(shù)萬美元的機(jī)臺(tái)，而這還不包含原料費(fèi)用。在使積層製造成為真正製程前，業(yè)者必須多次嘗試錯(cuò)誤，才能成功列印優(yōu)質(zhì)零件。嘗試錯(cuò)誤的額外成本使大多數(shù)業(yè)者負(fù)擔(dān)不起積層製造。

而積層製造模擬能夠用戶虛擬嘗試錯(cuò)誤。執(zhí)行一次模擬積層製造流程的成本遠(yuǎn)低於列印實(shí)體金屬零件。模擬的速度不但更快，還能以多種故障模式檢視零件。

為什麼要模擬？

ANSYS提供的金屬積層製造解決方案能夠讓用戶模擬整個(gè)積層製造流程，在實(shí)際列印前就決定最佳機(jī)臺(tái)、零件設(shè)定、和材料組態(tài)，大幅減少，甚至完全排除實(shí)體嘗試錯(cuò)誤，用戶可將金屬積層製造研發(fā)成果快速轉(zhuǎn)變?yōu)槌晒Φ难u造作業(yè)。

ANSYS新工具能模擬典型的金屬雷射粉床融合（PBF或L-PBF）流程，包含雷射掃描過機(jī)臺(tái)內(nèi)的粉末表面，融化粉末然後凝結(jié)。掃描完一層後，下一層粉末就接著疊放在該層上。上述流程不斷重複，直到整個(gè)零件製作完成。通常一個(gè)製作平臺(tái)上會(huì)有多個(gè)零件同時(shí)製作。

因?yàn)閺墓腆w變成液體再從液體變回固體，以及機(jī)臺(tái)的多種變數(shù)（如雷射速度、平臺(tái)溫度、環(huán)境溫度等）和金屬粉末材質(zhì)的變化，正確模擬積層流程是相當(dāng)複雜的問題。

ANSYS採用拓樸最佳化技術(shù)的軟體解決方案，可以減少零件重量並將網(wǎng)格密度（lattice density）最佳化。但即使有了拓樸最佳化，列印優(yōu)質(zhì)零件依然需要嘗試錯(cuò)誤。它無法考量積層製造流程的各種變數(shù)。此種限制讓ANSYS Additive Print和ANSYS Additive Suite解決方案發(fā)揮效用。

模擬的投資報(bào)酬率

圖1 : 使用金屬積層製造過程中產(chǎn)生的不良品。

客戶使用模擬能夠得到什麼樣的投資報(bào)酬率？圖1顯示一盒廢棄的零件就放在金屬積層製造機(jī)臺(tái)旁邊，是很常見的景象。而事實(shí)上這不只是一堆廢棄零件，每個(gè)零件價(jià)值都高達(dá)數(shù)千美元。金屬積層製造機(jī)臺(tái)每小時(shí)平均操作成本約100美元。製作一個(gè)零件可能需要10、20、甚至大型零件的80小時(shí)以上。所以，如果支撐結(jié)構(gòu)故障、零件變形、或製作到最後零件破裂，數(shù)千美元的金錢和數(shù)星期的努力都會(huì)付諸東流。

每家機(jī)臺(tái)製造商都有各自的掃描方式邏輯（scan pattern logic），用戶將零件匯入製作軟體，每家機(jī)臺(tái)製造商的軟體分析零件的方式都有些不同。部分製造商甚至?xí)鶕?jù)放在製作平臺(tái)上的零件類型，採取不同的分析方式。機(jī)臺(tái)內(nèi)的雷射會(huì)根據(jù)既定方式掃描零件，每家製造商的掃描方式邏輯都不一樣。掃描方式邏輯會(huì)導(dǎo)致雷射燒熔金屬粉末時(shí)遵循不同的掃描方式移動(dòng)。

當(dāng)製作零件時(shí)，不同的掃描方式會(huì)使每部機(jī)臺(tái)有其獨(dú)一無二的熱歷程 （thermal history）。因此，就算零件、機(jī)臺(tái)設(shè)定、機(jī)臺(tái)型號(hào)都一樣，只要掃描方式不同，就會(huì)有獨(dú)一無二的熱歷程。這會(huì)導(dǎo)致零件的張力與應(yīng)力不同，以及缺陷分布的差異（如孔洞）。不同的熱歷程也可能導(dǎo)致在零件幾何形狀和機(jī)臺(tái)設(shè)定不變的前提下，每部機(jī)臺(tái)仍有不同的微結(jié)構(gòu)，因此機(jī)械屬性也有所差異。ANSYS積層工具因?yàn)槟苷_模擬融化池（melt pool） 層級(jí)的熱歷程，並考量到製作該零件會(huì)用到的所有掃描向量，所以可捕捉特定機(jī)臺(tái)的差異。ANSYS工具的上述功能可適用於全尺寸零組件。

以ANSYS技術(shù)為基礎(chǔ)的熱模擬軟體（thermal solver）可讀取機(jī)臺(tái)掃描向量，並預(yù)測(cè)每一層的真正熱歷程，並利用該資訊來預(yù)測(cè)張力和變形。這種強(qiáng)大功能讓ANSYS客戶將製程模擬的正確性最大化。

ANSYS針對(duì)積層製造機(jī)臺(tái)操作員和負(fù)責(zé)積層製造製作零件的設(shè)計(jì)工程師所開發(fā)的獨(dú)立解決方案，方案特色包含容易使用（例如用戶訓(xùn)練不到一天，就能操作工具並獲得有價(jià)值與意義的結(jié)果）、快速、功能也很強(qiáng)大，其模擬以製作檔案匯入或用戶定義掃描方式的精準(zhǔn)掃描向量為基礎(chǔ)。

解決方案

ANSYS Additive Print

這是特別針對(duì)積層製造機(jī)臺(tái)操作員和負(fù)責(zé)積層製造製作零件的設(shè)計(jì)工程師開發(fā)的獨(dú)立解決方案，特色包含容易使用（用戶訓(xùn)練不到一天，就能操作工具並獲得有價(jià)值與意義的結(jié)果）、快速、功能也很強(qiáng)大。其模擬以製作檔案匯入或用戶定義掃描方式的精準(zhǔn)掃描向量為基礎(chǔ)。

本解決方案包含ANSYS SpaceClaim，它讓用戶準(zhǔn)備和整理幾何，並正確對(duì)準(zhǔn)列印文件的方向。

工具預(yù)測(cè)能力：

●列印零件的最終形狀

●每一層的變形、形狀、和張力視覺化

●自動(dòng)預(yù)測(cè)最適支撐架構(gòu)

●變形補(bǔ)償STL檔案

●潛在Blade Crash指南

成效：

●減少或排除實(shí)體嘗試錯(cuò)誤

●減少不確定性

●設(shè)計(jì)出可正確列印的幾何形狀

●加速生產(chǎn)

●產(chǎn)生更正確的報(bào)價(jià)

●減少雷射粉床融合製作失敗

ANSYS Additive Suite

擁有ANSYS Mechanical Enterprise的用戶可加購這套完整積層製造解決方案。內(nèi)容包含：

- 拓樸最佳化 – 減輕重量與網(wǎng)格密度最佳化

- SpaceClaim - 製作CAD幾何、修復(fù)和整理零件的多面 （faceted）資料工具、以及創(chuàng)造網(wǎng)格

- 機(jī)械積層製造模擬 - ANSYS Mechanical內(nèi)建功能之一，可預(yù)測(cè)積層製造製程造成的零件變形和應(yīng)力，使用和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析相同的環(huán)境，將彈性和模擬選項(xiàng)最大化

- Additive Print 為獨(dú)立產(chǎn)品，可預(yù)測(cè)零件形狀、變形和應(yīng)力，自動(dòng)預(yù)測(cè)最佳支撐結(jié)構(gòu)和變形補(bǔ)償STL檔案，以利快速學(xué)習(xí)曲線和高度調(diào)整的M模擬介面

- Additive Science – 獨(dú)立應(yīng)用，支援材料和最佳機(jī)臺(tái)參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)查（見下列描述）

拓樸最佳化

讓用戶將零件形狀最佳化、維持足夠的剛性來承受其荷重，以大幅減輕重量。拓樸最佳化的零件多呈複雜形狀，這使得積層製造成為唯一能製作特定形狀的實(shí)際方式。

SpaceClaim

讓用戶使用積層製造機(jī)臺(tái)介面需要的STL幾何格式。拓樸最佳化流程也會(huì)輸出STL。SpaceClaim工具讓用戶整理、修復(fù)、和直接在多面呈現(xiàn)（faceted presentation）上的作業(yè)。

ANSYS Additive Science

本應(yīng)用可在Workbench上面或其他工具上執(zhí)行，針對(duì)希望將機(jī)臺(tái)和材料參數(shù)最佳化的金屬積層製造專家；以及開發(fā)新金屬粉末、金屬積層製造材料、和金屬規(guī)格的材料科學(xué)家；希望將機(jī)臺(tái)設(shè)計(jì)最佳化的粉床機(jī)臺(tái)製造商；以及任職於下列產(chǎn)業(yè)的冶金學(xué)家：航太、生技、和汽車原始設(shè)備製造商以及專業(yè)積層製造大型供應(yīng)商。

工具屬性：

用戶決定特定機(jī)臺(tái)/材料組合的最佳流程參數(shù)，以達(dá)到最高零件完整性、正確的微結(jié)構(gòu)、和適當(dāng)?shù)膶傩浴?/span>

● 專屬數(shù)學(xué)演算法速度比其他有限元素分析解決方案快數(shù)十倍

● 模擬以精準(zhǔn)掃描向量為基礎(chǔ)（後者來自製作檔案或使用者定義掃描方式）

● 自訂管理資料庫包含各種材質(zhì)的非線性溫度相關(guān)熱物理屬性，這種和物理狀態(tài)有關(guān)的屬性對(duì)正確模擬積層製造製程十分重要

● 決定適當(dāng)?shù)臋C(jī)臺(tái)／材料參數(shù)

● 控制微結(jié)構(gòu)和材料屬性

● 減少零組件資格認(rèn)證所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)目

● 比較預(yù)測(cè)的「正確」機(jī)臺(tái)行為和感測(cè)器測(cè)得的「真正」機(jī)臺(tái)行為，並依此建立流程認(rèn)證程序

Mechanical Additive Print Simulation（MAPS）

此為ANSYS Mechanical內(nèi)建功能之一，Mechanical Print讓熟悉Mechanical環(huán)境的客戶輕易運(yùn)用工具設(shè)定和解決列印模擬問題，同時(shí)提供依照需求調(diào)整工作流程的大幅彈性。

成效：

● 讓客戶模擬熱機(jī)械製作程序，正確預(yù)測(cè)零件變形和應(yīng)力

● 提供簡化製程參數(shù)輸入方式，定義積層製造製程

● 可使用非線性和溫度相關(guān)屬性（無固有應(yīng)變假設(shè)）

● 讓用戶完全掌控製程設(shè)定，方便自訂

● 支援ANSYS高效能運(yùn)算（HPC）產(chǎn)品的高效率HPC效能延伸

應(yīng)用案例

英國的Croft Filters專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)各種過濾器。他們是積層製造專家，多年來運(yùn)用積層製造製造多種過濾器設(shè)計(jì)。Croft曾試圖製作一種新過濾器設(shè)計(jì)，但過程中一直出問題（圖2）。當(dāng)製作圖片顯示的設(shè)計(jì)上環(huán)的時(shí)候，積層製造製程會(huì)產(chǎn)生大量負(fù)載，導(dǎo)致過濾器突出。突出代表過濾器無法裝進(jìn)既定的位置。Croft公司的工程師為了解決過濾器變形問題，嘗試過多種設(shè)計(jì)選項(xiàng)。他們嘗試替設(shè)計(jì)加裝穩(wěn)定鰭片（stabilizing fin）、添加不同的支撐結(jié)構(gòu)、甚至把過濾器反過來，然而皆無法解決問題。列印出的零件還是會(huì)變形。

Croft最後決定採用ANSYS Additive Print來模擬並瞭解該公司列印程序。因?yàn)锳dditive Print針對(duì)積層製造設(shè)計(jì)師和機(jī)臺(tái)操作員設(shè)計(jì)，Croft工程師只花1天就學(xué)會(huì)執(zhí)行該工具。Additive Print內(nèi)建自動(dòng)變形補(bǔ)償功能，可根據(jù)軟體模擬自動(dòng)修改STL檔案，反轉(zhuǎn)幾何變形效應(yīng)，讓設(shè)計(jì)師印出已修正的幾何。相較於先前花費(fèi)6個(gè)月卻毫無進(jìn)展，Croft工程師利用Additive Print後，在1周內(nèi)解決新過濾器設(shè)計(jì)問題並印出正確的零件。

圖2 : 以Additive Print模擬的Croft過濾器幾何形狀，以及顯示頂部嚴(yán)重變形的最終成品。（source：Croft）

模擬完整的積層製造工作流程

圖3 : ANSYS的積層製造工作流程解決方案 （source：ANSYS）

如圖3所示，ANSYS致力於提供完整的設(shè)計(jì)到列印（design-to-print）解決方案給客戶。例如設(shè)計(jì)師可用ANSYS拓樸最佳化工具降低零件重量。接著工程師、設(shè)計(jì)師、或機(jī)臺(tái)操作員可使用ANSYS Additive Print或在Additive Suite下運(yùn)作，模擬列印流程、自動(dòng)產(chǎn)生以物理為基礎(chǔ)的支援措施，並決定最適合特定機(jī)臺(tái)的組態(tài)，以便製作符合設(shè)計(jì)規(guī)格的高傳真度（fidelity）零件。產(chǎn)生以物理為基礎(chǔ)的支援措施代表可隨需要加入支援措施，確保製作成功，後端處理也更快。

圖4 : 以ANSYS Additive Science產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)分析（source：ANSYS）

Additive Suite之中的Additive Science讓冶金學(xué)家和工程師檢視零件各部位的微結(jié)構(gòu)。在瞭解特定部位的微結(jié)構(gòu)之後，就能針對(duì)機(jī)臺(tái)組態(tài)和選用材料做出結(jié)論。

（本文作者M(jìn)asha Petrova博士任職於ANSYS公司）