CAD 和 CAE 工具以及 STL 文件格式的局限性正在阻碍制造商
随着增材制造从长期的婴儿期中崛起，该行业正在努力应对一个关键挑战：文件格式和设计工具来自 20 世纪的人被要求从事 21 世纪的工作。
“25 年来，这个行业一直是业余爱好行业，现在它开始成长起来，”通用电气技术负责人柯克罗杰斯说。
“你制作了一个 3D 模型，它有一个很酷的元素——米老鼠或一个小棋子——看起来很棒，”研发工程公司 Sciperio 的首席执行官肯尼斯·丘奇说，同时 3D印刷公司 nScrypt。 “如果我让它发挥作用呢？然后利基是快速原型制作——拿出一些东西，看看它是否合适。然后我们从快速原型制作转向小批量制造。”
但要实现行业领导者所说的就是它的命运，所涉及的技术必须成熟。
“我们使用的是旧技术，”Church 说。激光工艺。但从超越机械和结构的功能方面来看，它还不够成熟。当你开始谈论数量时，3D 打印就不是答案。”
几个世纪以来，梦想家们设计了一些无法实现的东西想想 1400 年代后期莱昂纳多·达芬奇纸上的直升机，距离首次成功飞行还有 400 多年。
查克·赫尔发明 3D 打印机并创立 3D Systems 三十年后，这种范式已经至少在增材制造 (AM) 领域是这样。
“在人类历史的大部分时间里，我们可以设计出疯狂的形状，但没有哥伦比亚大学机械工程教授、最大的国际标准制定组织之一 ASTM 增材制造数据交换委员会主席霍德·利普森 (Hod Lipson) 说。 “历史上第一次，制造比设计更先进。通过增材制造，您几乎可以制造出您能想象到的任何形状。挑战在于软件设计工具跟不上步伐。我们可以建造任何东西，但不能设计它。”
当今的高端 3D 打印机能够比用于设计可打印对象的软件和格式更加精确。
AM 一直迫切需要大胆的、具有纪念意义的思考——这种思考可以将问题解决者的面貌放在 3D 打印的拉什莫尔山上。幸运的是，涉及该行业多个方面的关键人物正在做出回应。
“如果你深入到两微米并且发现错误在你的 STL 模型中，那么在ANSI 的美国制造标准协作组织 (AMSC) 主席 Jim Williams 说：他还是 Paramount Industries 的前总裁和 3D Systems 航空航天和国防增材制造前副总裁。
在前端，增材制造依赖于 1961 年发明的 CAD 软件。该软件与STL 文件格式，发明于 20 世纪 80 年代中期，使 CAD 软件能够传输文件以打印 3D 对象。
增材制造已经从其令人惊叹的阶段发展成为一个渴望转向大规模生产的行业。它还寻求参与多材料和生物结构、食品、电气功能和纺织品。另一个目标是在汽车、航空航天和医疗设备等其他制造领域发挥更大的作用。然而，行业领导者表示，CAD 和 STL 文件格式的局限性已经变得很明显。
“STL 只是三角形几何体——没有别的，&rdquØ; Dassault Systemes 软件架构总监 Justin Kidder 说。
“STL 是一种非常简单的格式，设计用于将近 30 年前的计算机，”Rogers 说。
“它还没有很好地过渡到其他类型，”Church 说。
至于广泛使用一种文件格式来取代 STL，Met-L-Flo 总裁 Carl Dekker 预测长达 15 年。 “我不想相信那个答案，”他说。 “但从历史上看，看到事物被采用和整合需要多长时间，我担心这将是十年或十五年。我希望它会比这快得多。”
“理想的时间表是昨天，”Kidder 说。 “但实际上，市场采用率增长需要时间。”
简单是好的，有一段时间
STL 格式确实解决了 1980 年代的主要问题 —简化 CAD 数据，Dekker 说。
今天，3D 打印电子相控阵天线 (PAA) 元件需要任何制造商超过一个月的时间。 nScrypt 首席执行官肯尼斯·丘奇 (Kenneth Church) 表示，虽然涉及 CAD 程序，但需要手动输入模式和命令。如果业界有更好的软件，RF 多层电路、7 层电子板可以在数小时内打印出来。 PAA 以电子方式控制天线，而无需物理移动它。在国防部和南佛罗里达大学的绘图板上：打印双曲面相控阵，允许光束转向超过 180 度。“这些系统需要数小时来处理我们甚至都不会考虑的文件现在关于作为电子邮件附件发送，”他说。 “在那个时候，能够制造出 par 的能力是一种了不起的能力t通过这个过程。我们仍在使用相同的数据集。他们使它尽可能简单，此后没有人改变过它。”
使用 STL，将 CAD 中的设计导出为 STL 文件，该文件将三维对象描述为一系列连接的三角形.数据必须经过至少一个额外的步骤才能传送到切片软件，该软件将数字 3D 模型转换为打印指令。
“圆不能很好地切割成一个或两个三角形，”罗杰斯说。 “需要 20 或 30 个或更多的三角形才能获得该圆形的正确分辨率，这会导致在尝试将复杂的几何图形表示为打印机可以理解的东西时文件大小变得巨大。”
“作为我正在加快 3D 打印的速度，很明显，这个行业的成功存在严重的障碍，”微软集团项目经理 Adrian Lannin 说，他首先从事纸质打印工作，后来又从事 3D 打印工作。自 2013 年以来。 STL 对于 3D 打印效率不高。这很容易出错。我们正在寻找可以提高增材制造生产率的地方，通过让各部分自然地协同工作来减少 IT 的麻烦。”
STL 文件格式的限制包括：
- 准确定义复杂、复杂或大型几何形状和结构可能很困难，涉及创建大型文件，10-20 GB 的数据。这些文件需要很长时间才能从设计师的办公桌转移到 3D 打印机，而 3D 打印机甚至可能无法接受整个文件。
- 格式没有指定单位——英寸、厘米、毫米——用过的。这些规格必须单独发送，这就增加了出错的可能性。
- 格式没有指定颜色、纹理或材料。
- 事实上，STL 格式可以不嵌入设计以外的任何其他数据，包括与版权和文件安全相关的信息。
- 修改文件很困难。文件格式无法区分次要更改和主要更改，因此任何更改都意味着整个工作流程必须重新开始，这可能会增加设计过程的时间。
- 设计必须经过许多步骤，并且从概念到最终结果的翻译，这再次造成了错误的可能性。
“这些文件中有很多内容不包含，”合作伙伴销售总监 Shaun Kroeger 说Dassault Systemes 产品组合经理 Mark Rushton 说：“我们需要一种文件格式来保存所有信息，而不仅仅是整体形状。”
p>“挑战在于从您的设计软件中导出足够准确的数据，同时保持文件大小足够小以重新创建有限零件 d细节。数据可能会在转换过程中丢失，”SLM Solutions 的应用工程师 Michael Hansen 说，该公司从事选择性激光熔化和其他 AM 技术。 “数据可能不够准确，或者导出的数据可能包含错误。”
出现两个替代品
行业中的主要参与者齐心协力开发 STL 的替代品：AMF 和3MF。
Dekker 说，每种格式都可以更容易地表示其他几何形状，例如圆弧。
与 STL 不同，3MF 和 AMF 文件还表示材料、纹理、颜色、作者身份Kidder 说，以及文件本身中简洁明了的其他关键数据。
“数据与文件一起存在，”他说。
AMF 工作始于 2010 年
AMF 专注于一种全面的、标准驱动的格式。
AMF（又名 ISO/ASTM 52915）是在 2010 年通过 ASTM 开发的。它于 2011 年首次获得批准，并经历了数次修订，o 主管 Pat Picariello 说。f ASTM International 的开发运营，这是一个为标准开发提供共识的非营利性论坛。奥巴马政府于 2012 年成立的 America Makes 也参与其中。
Williams 说，他需要更多的 AM 文件格式标准，他也是 America Makes 执行委员会的前任主席。今年年初，只有少数特定于 AM 的标准存在，而其中很少有 3D 打印文件格式标准存在。
例如，仍然需要与操作员培训、机器校准、机器验证和最终零件检查，Dekker 说。
但标准应该谨慎编写，以免限制格式的演变，他说。 “你不想编写标准来制造手铐。无法判断五年后是否有人会想出一种绝对是最好的方法。但是你有没有消除它的能力转发是因为标准写得如此拘束？”
用户喜欢 AMF。但采用并不广泛。
“一些潜在用户的反馈是 AMF 很棒，但它几乎过于复杂和过于广泛，无法在相对较短的时间内从变化的角度采用，”Picariello说。 “它吓跑了一些人。”
与此同时，3MF“更专注、更精简、更容易访问”，但“无意取代 AMF，”Picariello 说。
3MF 工作始于 2011 年
3MF 受到 AMF 的启发，专注于快速获得广泛使用的简单但可扩展的格式，并在以后转向标准。
Microsoft 开始致力于 3MF Lannin 说，2011 年的目标是创建一种在 Windows 中工作的格式，该格式易于使用、明确且本身完整。微软最初将文件格式作为许可软件提供，人们必须付费才能使用，但成本是更广泛采用的绊脚石。 2014 年，Microsoft 开始以开源形式提供该软件。
3MF 联盟为其规范工作了大约六个月，于 2015 年首次发布了初始文件规范，并致力于在今明两年让 3MF 发挥作用，Lannin 说。
软件公司正在注意到这一点。
3MF 联盟成员公司正在实施扩展并为其软件包添加功能，然后该联盟、Kidder 和Lannin 说。
一个 3MF 扩展，特别是对于 2D 切片数据，意味着在打印对象之前的最后步骤中，不必使用切片软件来表示对象，切片可以在工作流程，基德说。他说，这消除了一个步骤，降低了出错的可能性，并在文件本身内定义了切片器数据。
至于标准，3MF 联盟认识到在某个时候，3MF 应该成为官方标准，Lannin说。 “我们已经与 ASTM 合作，讨论我们希望在未来采用什么样的标准化。现在，我们希望变得更加灵活。”
“合作”初现
两种文件格式的开发人员也在努力促进合作。
Picariello 说，ASTM 在 2013 年同意为 America Makes 资助的项目制定推进所需的标准。他说，3MF 联盟和 ASTM 还同意在两种格式之间建立想法管道。主要软件公司正在努力确保他们的产品与至少一种或两种格式集成。例如，下一个版本的 SolidWorks 将支持 3MF，Rushton 说。
软件是另一个大问题
软件挑战也阻碍了 AM。
当前的 CAD系统软件无法跟上所有可用于 AM 的材料，例如，制作人骨等材料、制作鸟嘴或制作原型 oLipson 说：“外科医生可以在婴儿的心脏上练习。”
“计算机辅助工程 [CAE] 分析工具跟不上增材制造的能力，”他说。 “如果他们不改变，新公司将推出新软件并享用他们的午餐。”
America Makes 和最近成立的柔性混合电子制造创新研究所，又名 NextFlex，最近发出呼吁寻找更好的软件来支持电子 3D 打印。
“他们开始提出明智的问题，例如'谁将把这个软件放在一起？'，”Church 说。 “我们现在正在与几家公司合作，让他们彼此交谈，或者至少通过我们彼此交谈。”
几家公司，包括 nScrypt、Autodesk、SolidWorks、 CDS、波音和雷神似乎愿意坐到谈判桌前进行“合作”上，”他说。
例如，Autodesk 正在其软件中提供更多优化工具，例如 Fusion 360，以及用于模拟的即将发布的 Netfabb 2017，业务开发经理 Duann Scott 说, Autodesk Digital Manufacturing Group。
“我们一直在与该行业的许多公司合作和竞争，”Church 说。 “我们需要彼此帮助推动这个行业向前发展。我们很乐观，这还不错。糟糕的是过度承诺和交付不足。这伤害了这个行业。我们必须证明我们可以制造出能带来价值的电子功能结构。”
处理参数化建模、验证
“一个主要挑战是从优化形状到平滑零件很多手动交互，”solidThinking 的 Kroeger 说。 “许多 CAD 程序几乎无法编辑镶嵌几何图形 [重复一个没有重叠的形状aps 或 gaps]。”
今年年初，solidThinking 向其 Inspire 平台添加了 polynurbs 功能，使用户能够修改设计文件以直接从镶嵌几何体过渡到实体几何体，他说。他说，这很关键，因为使用参数化建模技术对优化的有机表面进行建模非常繁琐且耗时（如果不是不可能的话）。
在设计过程的早期模拟打印对象将有助于推进
Kroeger 说，对于大多数当前的软件，要打印的对象直到最后步骤才被模拟。
“我一直鼓吹设计验证，”他说。 “但是，公司在设计过程中越早使用仿真，他们从中获得的价值就越大。”
“我们可以看到数字摄影的采用有相似之处，”业务开发部的 Ulf Lindhe 说在 Autodesk 领导 AM。 “与传统的模拟摄影，在您拍照和看到结果之间通常会有一天到一周的延迟。有了这个，理解光圈、胶片速度、构图、景深需要反复试验，在行为和反馈之间有明显的延迟。这就是我们今天的制造设计。”
“一旦数码摄影被广泛采用，人们就会拍一张照片，立即在屏幕上看到它，调整设置，再拍一张并快速学习如何拍出更好的照片，”他说。 “现在业余摄影和专业摄影之间的差距非常小。这就是我们现在处理增材制造设计的方式，将模拟和优化作为重点领域，以帮助实现更快的迭代并将准确的机器和材料参数整合到设计文件中。”
打印Rushton 说，验证工具对于改进流程至关重要。
“这将不适合我的打印机？我的特征是否太小而无法实际打印？这些是我们在打印之前需要的支票，”他说。 “但每个 AM 系统的工作方式都不同，每台机器在材料上都有自己的变化。这使得很难有一套静态检查来涵盖所有技术。在打印设计之前模拟设计的物理性能时，这种变化会增加复杂性。”
即使在同一台机器上，“您可以在构建室的中间构建一个部件，然后它与在不同地方建造的零件相比，它会经历不同的残余应力，”Rushton 说。
“软件必须非常复杂才能了解所有输出。我们拥有 Dassault Systemes 产品组合中的能力。我们可以计算一下。但它知道从什么数字开始，这是困难的部分。如此多的参数会影响最终零件的性能，它们都需要知道，以便可以模拟整个构建过程，以模拟构建部件的性能。”
实现这些里程碑将有助于缩短设计过程。
“为了更好地创建针对特定机器和材料组合优化的设计，我们需要首先了解制造后的材料特性，”Autodesk 的 Scott 说。 “为实现这一目标，我们需要对机器进行过程中监控，以便我们可以模拟过程并不仅优化几何形状，还优化机器控制。一旦我们与机器建立了这种实时连接，我们将能够生产出可预测、可靠和可重复的零件，并大大减少试验和错误。我们拥有合适的优化和仿真软件，只需要根据机器的反馈进行工作，以帮助发挥增材制造的潜力。”过程自动化和优化Rushton 说，zation 可以成为实现简化 AM 仿真过程和最小化设计和制造零件之间差距的目标的一种方法。
“仿真专家将开发、验证和简化仿真过程，仅公开非工程师需要的输入和输出，”他补充说。
简化、易于使用的流程将使非工程师或其他没有深厚专业知识的人能够在3D 打印，Scott 和 Church 说。
Kroeger 说，Inspire 软件已将仿真转移到设计过程的早期阶段。他说，虽然新技术的成本更高，但更短的设计流程超过了增加的成本。
“仅使用这项技术，我们就看到设计吞吐量提高了 200-300%，”他说。 “当达到理想情况时，我们会再看到 200-300% 的折扣。一旦你得到形状并按下一个按钮并转到打印机，您已经消除了参数化 CAD 和大量的设计过程。我们公司的科学家表示，我们已经完成了 95% 的点击按钮和流畅使用的方法。”
Alpha 软件一年？
Church 预测 alpha 软件一年.克勒格预测大约五年。一旦发生这种情况，增材制造将能够更有效地竞争。
与传统制造相比，增材制造提供更经济的拓扑优化，SLM Solutions 的汉森说。使用增材制造的制造商不仅限于生产圆柱形模具的圆孔。
同样，借助增材制造，制造商可以使用晶格结构制造零件，以实现相同或更好的强度、刚度和疲劳寿命他说，与传统制造零件所使用的材料相比，材料减少了 40-60%。
“在理想情况下，如果我可以拿一个汽车发动机缸体或悬架部件，并去除所需的多余材料对于传统l 制造方法，并且仍然具有相同的强度和相同的机械性能，我正在省钱生产那个零件，”汉森说。 “通常，我可以比传统零件更快地构建它。事情不一定需要过度设计。”
本文首次发表于 Smart Manufacturing 杂志 2016 年秋季版。
