从理论上讲，增材制造为我们提供了无限的几何自由度。因此，您会期望找到利用这一点的令人兴奋的计算机辅助设计 (CAD) 软件。但是，当围绕着“如果你有 CAD 文件就可以打印它”的宣传成为现实时，用户会发现某种形式的计算机辅助制造 (CAM) 的实用性。
研究员 Lauren Heinrich 使用 Mazak VC-500AM 推进混合制造和相关 CAD/CAM。 （图片由 Georgia Tech Research 提供）
另一方面，佐治亚理工学院混合加工硕士学位研究员、肯塔基州佛罗伦萨马扎克实习生 Lauren Heinrich 观察到，一些 CAM 软件只是简单地反转了一个减法刀具路径——自下而上而不是自上而下。这在很多情况下都行不通。所以我们在这里帮助您了解问题并探索该领域一些最佳参与者的可用资源。
更好的生成式设计
在生成式设计中，人类设定功能要求和约束，软件会自动生成满足这些条件的多个设计。它导致了许多创造性的解决方案，并增加了我们对大自然的钦佩，因为如此多的最佳设计往往看起来具有生物学意义。但并不是每一种设计都可以实际制造，而且一种增材技术可以制造的东西可能无法用另一种技术制造。更好的 CAD/CAM 软件包可以解释这一点。
例如，Hexagon 制造智能部门（美国总部位于罗得岛北金斯敦）的增材制造全球业务开发总监 Mathieu Pérennou 表示，他们的 MSC Apex Generative Design软件在采用制造约束的同时进行所有拓扑优化考虑在内。例如，拓扑优化过程可以使用“电影多体动力学模拟来计算零件将要承受的载荷。从中我们可以推导出许多负载情况，输入将是这些负载情况加上设计空间。”然后，该软件会提出符合负载标准的几何形状。
“我们知道零件不会失效，但这并不能真正告诉我们从可制造性的角度来看该零件有多好，因此我们还将拓扑优化到我们的过程模拟软件。我们获得有关产品可制造性的反馈，然后可以根据该反馈修改或改进我们的衍生设计。”如果需要，该软件将提供用于在构建区域中定位零件和添加支撑结构的选项。 Pérennou 说，如果它是粉末床熔合 (PBF) 机器（使用 Hexagon 的ESPRIT 软件）。
除了获得“拓扑优化的几何形状”之外，Hexagon 的软件还可以生成 Pérennou 所说的“第二几何形状”。也就是说，“我们想要制造的产品，加上我们在知道需要加工的地方添加的库存。因为我们在增材制造中生产的通常不是成品，而是产品加上我们需要加工的额外库存。我们的软件可以自动添加该材料。”
Hexagon 的软件根据几何尺寸和公差计划预测构建中的收缩，帮助确保补偿在公差范围内。 （图片由 Hexagon 提供）
模拟过程还显示了正在虚拟构建的零件，逐层显示，并显示了用户生产热点和冷点、存在裂纹或变形风险的区域以及重涂机干扰等问题。这种可制造性评估通常会消除一些设计候选，此时软件还会提供每个设计的成本估算，以进一步完善决策过程。
生成设计目标不必局限于优化强度、重量和材料使用，位于德克萨斯州普莱诺的 Siemens Digital Industries Software 专注于 AM 的制造工程组营销经理 Ashley Eckhoff 解释道。西门子还提供优化流体流动的能力。 “它可以是空气，也可以是液体冷却剂，”Eckhoff 说。 “该软件经过优化以通过系统实现最大或目标体积。我们发现了诸如管道之类的应用，可以改善汽车或飞机机舱内的气流。我们已经探索了诸如电动汽车电池冷却之类的东西。”
Eckhoff 指出，热交换器呈现出一种有点不同的问题，因为如果你试图最大化散热，你就不会想要层流。 “你需要尽可能多的冷却剂接触热区，以带走更多的热量。所以你希望冷却剂是湍流的，在这些通道内旋转，以在冷却剂和你想要冷却的区域之间获得最大的覆盖范围。”比利时根特 Oqton 工业增材制造总经理 Ulf Lindhe 同意，增材制造的应用正在不断增长。 “例如，制造商已经开始打印铜合金。这些不仅用于电气元件，还用于散热器以及汽车行业和许多其他领域的电子和电力驱动中的热管理。”
严肃模拟
你越多检查将 AM 应用于工业应用的挑战，您越认识到在 CAM 软件中进行精确模拟的必要性。需要防止重涂机干扰Eckhoff 解释说，PBF 中的 nce 是其中一个原因。
如果没有准确的模拟，烧结过程会导致金属变形，“这是由于各层之间的热量积聚，或者激光在一个点停留的时间过长。如果材料向上弯曲，它会毁掉你的重涂机。它不仅会破坏您的印刷品（现在价值 50,000 美元的镇纸），而且您必须先修好重涂机才能重新开始印刷。” Eckhoff 表示，他们获得专利的 PBF 模拟技术可以提前识别这些问题，“任何可以帮助用户节省 50,000 美元的模拟，即使需要一两个小时，对他们来说都是值得的。”
加利福尼亚州欧文市 CGTech 的产品管理总监 Gene Granata 认为，“绝大多数”CAD/CAM 软件包并未模拟在机器上实际运行的发布输出。因此，他看到了他们的 VERICUT 产品的作用，它正是这样做的。
“VERICUT 声名鹊起正在运行您将在 CNC 机器上运行的相同 NC 数据，并在 VERICUT 的数字孪生世界中向您展示将要发生的事情。为此，您需要整合来自机器控制的数据。您需要相同的子程序。您需要以相同的方式通过变量来控制构建参数。您需要直接从后处理的 NC 文件中读取这些内容，以及所有其他运动控制和从第一天开始就困扰 NC 程序员的典型问题。”
此 VERICUT 模拟中的红色表面表示钻头与零件之间发生碰撞，建议重新排序程序，以便在构建外杯之前钻孔。 （图片由CGTech提供）
“有CAD/CAM模拟可以让你回放您在编程级别所做的事情。但是一旦你对其进行后处理，然后开始引入构建参数和特定于材料的东西，和/或你在增材和混合减材工艺之间来回跳动，那么真正的 CNC 文件就是要讲述的故事会发生什么。此外，我们的许多客户都会编辑 CAD/CAM 过程中产生的文件，因为它们要么不充分、不完整，要么需要进行一定程度的修改。所以现在你进入机器的东西也不同于你在 CAD/CAM 模拟级别上的东西。”
如果你确实发现了 VERICUT 的错误，你可以轻松地链接回行号在产生问题的 NC 路径中。 Granata 补充说：“该软件会显示与该点相关的工具、进给率和其他工艺参数。” “对于程序员来说，这是一个非常快速的调试工具。他们确切地知道去哪里修复公关CAM 级别的问题。”另一个不错的功能是免费的应用程序，它可以为现场的团队提供审阅文件。无需另一个 VERICUT 许可证，操作员可以在机器附近的平板电脑或 PC 上查看完整模拟。 Granata 说：“他们可以预览零件将如何放置、如何加工、这些顺序之间的平衡以及他们预计会发生什么。”
高级路径编程
定向能量沉积 (DED) 工艺有其自身的挑战。一方面，该方法经常用于维修业务，您不是在平板上建造，而是在不同方向的各种复杂表面上建造。 Mazak 高级多任务经理 Joe Wilker 表示，还有硬涂层应用。另一个用例是减少可能库存的独特铸件的数量。 “如果类型与类型之间只有一点点不同，客户可以转而购买检查一个普通铸件，然后随时添加该功能。”
正如 OPEN MIND Technologies 产品经理 David Bourdages 所说，这里的关键是让用户“能够提供粉末和五个轴上的增材工艺，因为这样您就可以使方向尽可能垂直于基材。在这些情况下，这是最好的做法。” OPEN MIND 的北美总部位于波士顿，专注于使用其 hyperMILL 产品进行五轴加工。 Bourdages 补充说，增材制造模块包括一种有助于保持恒定沉积速度的算法，“这有助于保持恒定的构建厚度。这非常重要，因为我们讨论的是一个具有多个轴同时运动的复杂系统。如果你强迫快速移动，快速改变方向，那么你就会有加速度，而加速度会改变你的沉积速度。这会造成一些过度建造或过热ng 在零件中。”
美国 OPEN MIND Technologies 应用工程师 Brad Rooks 对此表示赞同，并将其与减材加工进行对比。 “在减法世界中，如果头部的实际速度减慢或稍微增加一点，你可能会看到一个或多个来自正在运行的旋转器的见证标记，但这不会破坏交易。而使用添加剂时，那些与恒定速度的微小偏差会导致过度构建和构建不足，并造成严重破坏。你开始失去你的焦距。”因此，hyperMILL 的高级刀具路径生成选项包括控制“构建中的所有输入的技术参数，例如粉末流速——如果是线系统，则为线速率——激光功率、保护气体速率、进给速率和焦距”
Rooks 还说明了加法路径通常不能与减法路径相反。在 X-Y 平面中围绕圆插补切削刀具e 没有太大的挑战。 “但是，如果您采用相同的工具路径并将其应用于仅从右侧输送的吹粉系统，则构建在该圆圈中不会保持一致，因为它的行为将与激光和粉末在该圆的右侧而不是左侧移动。”相反，如果您能够在 5 个轴上插入移动，则可以使粉末和激光在沿相同路径移动时彼此保持相同的关系。
OPEN MIND 如何运行的另一个示例正在使用五轴插值来改进增材工艺 正在构建关于支柱旋转对称的部件——火箭喷嘴是测试案例。同样重要的是要注意，这些零件不仅是轴对称的，而且它们通常具有不同的壁厚。常务董事 Alan Levine 解释说，“切片”几何结构以构建多个同心圆层在构建中产生了许多空隙和不连续性。这是因为激光头在从一层移动到另一层时会频繁地停止和启动。
HyperMILL 相反会创建一个连续的五轴路径，该路径在整个构建过程中始终连接旋转轴。 “我们处理可变厚度，将头部移入和移出，以便我们获得最佳交付。如果有壁架，我们可以倾斜 30 度，这样我们在建造时就可以垂直于该表面。我们螺旋上升、螺旋进出和角度控制，所有这些都在一个组合过程中，整个构建只有一个初始开始和一个结束停止。冶金研究数据显示密度极高，没有气孔。” Bourdages 解释说，构建的质量部分归因于这样一个事实，即多通道层的珠子永远不会与前一层的路径对齐。他还指出，尽管动作很复杂，但刀具路径 planning 发生在一个简单的 2D 视图中。
Eckhoff 指出，大多数增材工艺都需要某种图案来填充零件内部的几何形状。但是“这些填充图案有时会导致激光或电子束在特定区域停留时间过长，从而导致内部材料结块，并可能导致空隙和应力区域。”对于薄壁以及当机器制造商没有为此功能提供最佳实用程序时尤其如此。因此，西门子正在改进一种算法，允许用户在将程序安装到机器上之前找到这些区域并调整沉积路径以缓解问题。
实时过程控制
实现上述精确模拟和过程控制需要机床制造商和 CAD/CAM 供应商之间的密切合作。但双方都承认，要使增材制造更具实时可预测性和可控性，还需要做更多的工作。作为海因Rich 总结道，“即使是管道焊接机器人也被编程为连接一定直径和厚度的管道。他们不能跨越整个范围。您必须更改设置。所以从加工的角度想象一下。有很多变数。如果天气发生变化，则可能是另一组变量。”
例如，Heinrich 说，层高一致性可能会出现问题，并且任何错误都会与多层复合。 “对于深度构建，这些层高需要越来越精确。因此，当前的研发重点是原位层高监控，以及动态调整的能力。因为无论您是在任何机床平台上运行线材系统还是粉末系统，这都是至关重要的。”
Heinrich 说，许多研究人员正在尝试各种非接触式测量系统，例如使用同轴相机来透过激光头，确定激光光斑直径的变化如何与变化相关层高中的 s。 “这将可以估计你的偏移量以及你需要纠正多少。”另一个想法是询问零件的温度如何影响层高以及此类数据是否可用于调整过程。 Hexagon 增材制造和人工智能产品经理 Clement Girard 表示，他们“将激光扫描仪置于 CNC 环境中，以便在打印后立即测量库存，然后为减材加工端重新调整刀具路径。”
这不全是未来科技。 Wilker 说，Mazak 拥有“用于热焊丝的动态过程控制系统，我们将激光功率、送丝、热量和保护气体的信息从头部反馈到控制器。我们还在监控构建过程的温度，并获得一些关于构建过程的摄像头反馈。但总有一天，这取决于我们处理的材料类型，我们我会建立到一定的高度，然后用切割机进来把它弄平并创造一个新的起点。” Wilker 补充说，机加工步骤还允许材料在恢复构建过程之前冷却。
将它们放在一起
显然，增材制造是一项软件密集型工作。在林德看来，更应该如此，CAD/CAM需要与公司的企业资源规划（ERP）包和制造执行系统（MES）对接。 Oqton 的愿景是使用 Manufacturing OS “通过智能自动化 AM 帮助制造商提高创新和效率”。 Lindhe 说，要做到这一点，他们需要基于云并且“完全与技术无关”（不依赖于任何类型或品牌的机器）。此外，他们还需要利用人工智能。
这里 3DXpert 使用隐式建模创建了一个 gyroid 内表面，用于传导热水/冷水，外表面有网线格子。（图片由 Oqton 提供）
对于 Lindhe 来说，3D 打印的未来是“动态连接并实时连接到公司的其他系统，以跟踪和管理客户请求......为了能够快速查询所有设备的最佳利用，用于及时预测和交付时间表。”这将实现“个性化，或者至少是高度灵活的制造工厂”。 Lindhe 设想增材制造为我们带来“全新的产品和全新的商业模式，离散客户订单和产品的数量可以从几百到几十万。”他指出，这已经在牙科行业发生了。
Lindhe 还认为，传统的构建准备软件无法解决所有问题这些问题。 “这样的解决方案，即使它是一个超级智能的解决方案，也只是成为制造链中的另一个点解决方案......如果你谈论真正的制造，你需要软件工具之间以及与机器上的机器之间更高级别的连接性车间。”他说，它还需要人工智能，因此他们“从头开始”将其构建到平台中，并在任何有意义的地方使用它。 “Oqton 可以从机器使用习惯中学习，提供指标并优化您如何更有效地操作设备。”它还分析大数据以找到有助于预测未来的模式以进行预防性维护。
Oqton 还使用 AI 来“识别特征、形状、形式和零件，以建议增材制造的最佳方向。我们通常会建议一些方向，如果用户不同意其中任何一个并不断调整，系统就会从中学习。”人工智能还可以对零件进行分类。为了例如，在牙科生产中，“系统可以识别牙冠、牙桥、基台、修复装置和模型等部件。如果系统看到一个皇冠，它知道在这个工厂设置中它应该将它传送到特定的打印机，并且它将用钛打印，层厚为 15 μm。该零件会自动路由到该类型的机器，与类似零件嵌套在一起，并自动安排。” Lindhe 说，你可以查看时间表。但 AI 已经完成了这项工作。
