復(fù)雜金屬3D打印的最大障礙不是金屬或3D打印機

魔猴君  知識堂   44天前

當瓦錫蘭海洋公司增材制造高級專家Francesco Trevisan著手設(shè)計完美的船用發(fā)動機氣缸蓋時，他選擇使用金屬3D打印技術(shù)進行設(shè)計，使其重量更輕、性能更佳。該技術(shù)使他能夠創(chuàng)建復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料的有機形狀，并將多部分組件整合為一個單元。

經(jīng)過大量的設(shè)計工作和虛擬模擬，它已近乎完美。與傳統(tǒng)制造的原始設(shè)計相比，它輕了60%。它將多達十個子系統(tǒng)集成到最終組件中，降低了裝配復(fù)雜性并提高了冷卻性能。這是一種創(chuàng)新設(shè)計，將進一步推動W?rtsil?實現(xiàn)碳中和航運和能源生產(chǎn)的目標，

但是這根本就不可能實現(xiàn)。

瓦錫蘭nTop氣缸蓋設(shè)計（來源：nTop）

障礙不在于設(shè)計的完整性，也不在于大型激光粉末床熔融3D打印機的性能。也不在于金屬粉末，而是問題在于數(shù)字部件的文件大小。

但現(xiàn)在，軟件公司nTop和Materialise Magics之間的新合作提供了一種解決方案，可以將部件的文件大小減少約90%。這一進展不僅將使W?rtsil?能夠生產(chǎn)其大型氣缸蓋，還可能加速金屬3D打印在幾乎所有行業(yè)的應(yīng)用。

復(fù)雜金屬增材制造的設(shè)計瓶頸

W?rtsil?計劃使用尼康SLM激光粉末床融合3D打印機（例如這款600E版）來3D打印其船用發(fā)動機氣缸蓋（來源：尼康SLM）

此前，Trevisan的復(fù)雜發(fā)動機部件或熱交換器設(shè)計會產(chǎn)生7到10 GB大小的計算機輔助設(shè)計(CAD)文件。具有大量特征（例如極其精細的網(wǎng)格）的CAD模型會擴展當今軟件的容量，文件大小和重建時間會隨著部件尺寸的增加而呈指數(shù)級增長。

然而，這個尺寸約為500 x 500 x 450毫米的船用發(fā)動機氣缸蓋在nTop的“計算設(shè)計”軟件中針對3D打印進行了優(yōu)化，這使Trevisan能夠添加非常復(fù)雜的細節(jié)，例如晶格和內(nèi)部通道，并將各個部分合并為一個部分，而無需數(shù)千兆字節(jié)的文件。nTop類似于CAD軟件，但它在表示零件幾何形狀的方式上更加復(fù)雜，并且文件大小要小得多。

例如，在大多數(shù)CAD程序（包括Fusion和Creo）中，零件的幾何形狀使用“邊界表示”（B-reps）表示。我們不會在這里深入探討B(tài)-rep架構(gòu)的所有復(fù)雜性，而是將其視為人類如何感知幾何形狀；表面、邊緣、測量值及其相互關(guān)系。當零件變得非常復(fù)雜時，這些會占用大量的計算資源和文件空間。

隨著對復(fù)雜幾何圖形、拓撲優(yōu)化和生成設(shè)計的需求不斷增長，尤其是21世紀初期增材制造的興起，CAD文件大小開始成為一個問題。大約在這個時候，隨著計算能力的提高和實現(xiàn)，一種在CAD軟件中表示幾何圖形的新方法（稱為隱式建模）開始受到關(guān)注。

隱式建模的力量

nTop軟件采用的隱式建模是一種表示零件幾何形狀的另一種方式。它不明確計算任何邊或頂點，而是使用x、y和z的單個數(shù)學(xué)函數(shù)來描述3D實體。換句話說，幾何形狀由數(shù)學(xué)表示，該數(shù)學(xué)定義點是位于形狀的內(nèi)部、外部還是表面上。nTop的首席執(zhí)行官Bradley Rothenberger表示，這更像是計算機對幾何形狀的看法。

隱式建模擅長混合或合并復(fù)雜幾何圖形，而無需手動定義過渡或邊界，這使其對于需要復(fù)雜表面的有機形式和設(shè)計特別有用。

生成的文件大小可能不到常規(guī)CAD文件大小的十分之一，但精度卻一樣高。

在nTop中，Trevisan現(xiàn)在有一個氣缸蓋文件，但無法直接從nTop的.implicit文件進行3D打??；必須將它們轉(zhuǎn)換回更熟悉的基于網(wǎng)格的B-rep模型，才能輸入到3D打印文件準備軟件Materialise Magics中。這就是該項目面臨的重大障礙。

CAD的無網(wǎng)格未來

Materialise Magics文件準備軟件中的W?rsil?氣缸蓋（來源：Materialise）

生成的網(wǎng)格文件太大且難以處理，無法打印。

“W?rtsil?的瓶頸在于網(wǎng)格劃分，”Rothenberg說道。“他們無法高效地劃分該部件的網(wǎng)格，因為在nTop中劃分網(wǎng)格需要花費數(shù)小時，而劃分網(wǎng)格后，又需要花費數(shù)小時甚至一夜的時間才能在Magics中打開，然后又需要數(shù)周時間才能切割出氣缸蓋大小的部件。”

Trevisan表示，在傳輸或處理文件的任何階段，系統(tǒng)都極有可能崩潰，這意味著需要重新開始，并導(dǎo)致數(shù)周的延遲。過去，他的解決方法包括分割網(wǎng)格或?qū)⒃O(shè)計分成幾部分。“總是需要妥協(xié)，”他說。“我們對網(wǎng)格的細節(jié)程度有所限制，因此最終打印出來的細節(jié)質(zhì)量經(jīng)常會受到影響。”

他需要一種方法將.implicit文件從nTop直接導(dǎo)入Magics，這正是nTop在八月份剛剛宣布的功能。

“與Magics集成后最令人興奮的方面之一是讓客戶能夠直接從.implicit文件進行3D打印，”Rothenberg說道。“作為隱式文件，從nTop導(dǎo)出的氣缸蓋只需幾秒鐘，在Magics中打開只需幾分鐘，切片只需幾個小時。”

Materialise Magics 3D打印套件中的nTop隱式建模API（將于2025年下一次發(fā)布Materialise Magics時推出）消除了隱式到網(wǎng)格的轉(zhuǎn)換，這對于大型金屬零件來說是一個巨大的障礙。

在SLM NXG 600 3D打印機上打印之前，Materialise Magics文件準備軟件中的W?rtsil?氣缸蓋（來源：Materialise）

到目前為止，Magics并不是nTop的唯一集成。它宣布推出一款適用于EOS 3D打印機的插件，該插件與機器的2023年發(fā)布的EOSPrint 2.14構(gòu)建流程兼容。這基本上實現(xiàn)了與Magics集成相同的功能，但僅限于EOS品牌機器。

“繼Magics之后，還有其他插件和構(gòu)建處理器集成正在開發(fā)中，”負責(zé)與合作伙伴構(gòu)建隱性生態(tài)系統(tǒng)的nTop高級產(chǎn)品經(jīng)理Daeho Hong說道。

nTop并不是唯一一家提供隱式建模的軟件出版商——Siemens NX和Altair Inspire中也有一些提供該功能的產(chǎn)品——但它是迄今為止走得最遠的，這就引出了一個問題：隱式建模是CAD的未來嗎？

隱性建模是未來嗎？

Autodesk Fusion CAD軟件與nTop的集成使設(shè)計人員能夠?qū)⑹褂秒[式建模設(shè)計的零件合并到Fusion組件中（來源：nTop）

有了隱式文件，“我們不僅擺脫了STL和網(wǎng)格，還獲得了一種更流暢的工作方式，”Trevisan說道?！耙虼?，與STL和網(wǎng)格相比，我認為隱式建模才是未來?！?/span>

Fusion CAD軟件制造商Autodesk最近推出了與nTop（nTop for Fusion App）的集成，使設(shè)計師能夠?qū)?implicit文件直接導(dǎo)入多組件產(chǎn)品。上圖展示了如何將在nTop中優(yōu)化的摩托車零件導(dǎo)入此Fusion設(shè)計中進行擬合和仿真。

Fusion還擁有一些用于網(wǎng)格化的隱式建模功能，據(jù)說它在CAD中還有更大的隱式建模計劃。Fusion擁有自己的金屬部件構(gòu)建準備軟件，并與Renishaw等3D打印機制造商集成，可直接3D打印.implicit文件，與新的Magics集成相當。

軟件制造商Hexagon現(xiàn)在也可以讀取nTop的.implicit文件并在其上運行復(fù)雜的模擬，而其他模擬軟件制造商，包括用于FEA模擬的Intact和用于CFD流動模擬的CloudFluid現(xiàn)在也可以讀取.implicit文件。

“這些合作伙伴的有趣之處在于，他們直接從隱式中進行模擬，這意味著非?？焖俚哪M，”Rothenberg說?！斑@在早期設(shè)計階段非常有用，因為工程師希望快速評估許多不同的變體并了解它們的相對性能，而無需運行需要網(wǎng)格劃分和長時間運行的高精度模擬。通過這種方式，工程師能夠非?？焖俚剡M行DOE并更快地縮小設(shè)計方向?！?/span>

但也許與Magics的新集成將進一步推動應(yīng)用程序的發(fā)展，因為Magics是大多數(shù)金屬激光粉末床融合3D打印機所有者使用的文件準備軟件。

“我們相信3D打印的未來在于無縫處理大型和高度復(fù)雜的文件，我們與nTop的合作是朝著這個方向邁出的關(guān)鍵一步，”Materialise軟件副總裁Udo Eberlein表示?！巴ㄟ^將nTop的隱式建模內(nèi)核與我們的Magics軟件和NxG Build Processor集成，我們顯著提高了從設(shè)計到制造過程的效率和可靠性。此次合作不僅消除了現(xiàn)有的限制，還加速了創(chuàng)新3D打印應(yīng)用程序的開發(fā)，使工程師能夠以前所未有的輕松和速度將他們的高性能設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實?！?/span>

實現(xiàn)氣缸蓋

您可能已經(jīng)猜到了，W?rtsil?的優(yōu)化發(fā)動機氣缸蓋是一個示范項目，但具有堅實的戰(zhàn)略價值，Trevisan說道。作為發(fā)動機中最關(guān)鍵的部件之一（我們說的是大型18缸貨船發(fā)動機），完整的驗證過程可能需要五到十年。因此，該項目的短期目標是進行最艱難的案例研究之一來證明其應(yīng)用。“然后我們可以將相同的概念應(yīng)用于發(fā)動機的許多不同技術(shù)區(qū)域，”Trevisan指出。

盡管瓦錫蘭已經(jīng)打印了三個30%大小的原型，但該公司尚未打印全尺寸氣缸蓋。洪表示，使用尼康SLM NXG 600激光粉末床融合3D打印機，預(yù)計打印時間約為10天。打印計劃在年底前進行，之后將進行部件檢查和驗證，并證明部件的性能。

檢查階段將顯示部件是否已達到提供更好冷卻或更好性能的目標。“它還將顯示是否存在一些我們未預(yù)見到的隱藏問題，”Trevisan說，“或者是否還有其他優(yōu)勢?！?/span>

盡管W?rtsil?3D打印的每個部件并不是都需要像nTop這樣的先進設(shè)計軟件，但Trevisan表示，既然它已經(jīng)與Magics集成，他打算更頻繁地使用它。

 編譯整理：ALL3DP