3D打印仿真软件精选与比较

3D打印 / 增材制造仿真是一个广泛的概念，从打印材料熔化，到刀具路径，再到打印后处理工艺，整套3D打印制造流程几乎都可以通过仿真软件进行模拟。借助仿真的力量，3D打印零件的设计能够得到优化，打印失败的情况也将减少。但是由于仿真技术能够涵盖到整个3D打印过程，市场上各种3D打印仿真软件的应用侧重点也是不同的。

3D科学谷曾在3D打印仿真软件-Part 1一文中列举了几种3D打印仿真软件。本期，3D科学谷整理了另外几种3D打印仿真软件。

Materialise

Materialise 在其Magics 软件中集成了Simufact的仿真功能，金属3D打印操作人员无需在数据准备软件和仿真软件之间来回切换，即可利用仿真结果来修改部件的摆放角度和支撑。这个仿真模块易于使用，它不是一个研究工具，而是一个可以在日常运用的生产工具。

通过使用Magics中的仿真功能，用户可以快速发现并解决加工中的问题，降低加工失败的风险。这有助于提高金属增材制造的效率，从而改善运营利润。

Magics 软件中的仿真模块，图片来源：Materialise

Magics Simulation模块作为现有软件中的完全嵌入式集成仿真模块，用户无需在不同软件包之间进行更换就可以使用仿真。

Magics 仿真模块专注于金属增材制造仿真，采用基于Simufact仿真技术的机械固有应变方法，包括应变校准[和]模拟作业管理系统。它还具有无缝集成的可视化工具，如（反）变形，收缩线和重涂冲突和根据模拟结果调整支撑的能力。

Materialise 计划进一步通过仿真来自动推动金属增材制造工作流程，例如优化支撑结构，零件摆放方向，切片等，帮助3D打印用户将打印设备的容量使用最大化。3D科学谷了解到，未来，Magics软件集成的仿真模块将具有局部热的捕获功能，发布与热相关的构建扭曲。

西门子

开发一个新的金属3D打印零件往往需要进行多次尝试，但金属打印机和打印材料非常昂贵，从经济角度来看，用户没有太大的错误或返工空间。当金属3D打印作为一种工业生产技术时，保证初次打印时就获得成功则非常重要。

通过仿真技术对整个零件的构建过程进行模拟是实现这个目标的重要手段。对于整个构建过程的模拟包括模拟零件之间的热交互，支撑结构和残留粉末。此外，通过仿真模拟考虑对设计的几何调整以及抵消在构建过程中产生的热变形所必需的支持也很重要。

左图为仿真预测的打印失真情况，右图为原始CAD模型与实际3D打印叶片的3D扫描结果之间的偏差比较分析结果，图片来源：西门子。

西门子仿真软件的特点在于，采用务实的方法，模拟基于混合微观结构数据集，该数据集结合了计算和经验信息。这种方法能够校准过程，以持续改进模拟结果。西门子还看到了设计、仿真与增材制造之间自动化相互作用的价值，他们认为这将最大限度的减少首次打印零件的工作量。

增材制造仿真是西门子软件中一个比较新的模块，因此西门子仍持续研究增材制造仿真技术。例如，研究仿真精度和方差，与用户合作测试过程模拟的准确性，如何通过识别局部过热区域和调整这些区域的打印过程来抵消打印失真。

此外除了粉末床金属增材制造仿真，西门子还在开发塑料3D打印工艺、金属DED工艺，以及喷射工艺的增材制造仿真技术。

e-Xstream

e-Xstream 在2013年被仿真软件公司MSC Software Corporation收购。e-Xstream仿真技术的强项在于复合材料和结构多尺度建模，该公司专注于开发聚合物和复合材料3D打印仿真技术。

根据3D科学的市场研究，e-Xstream 本身是材料建模公司，其 Digimat 材料建模技术是e-Xstream 多尺度建模和非线性微观力学方面与大学、研究中心、企业进行了15年的协作研发的成果，3D打印复合材料仿真技术也是在这个基础之上推出的。

Digimat-AM中的翘曲分析，图片来源：e-Xstream

基于其Digimat材料建模技术和MSC有限元技术，e-Xstream 开发了一种综合增材制造解决方案，结合材料工程，工艺模拟和结构工程，以解决增材制造行业面临的主要挑战。

e-Xstream 拥有270多个等级和14,500个Digimat材料模型，并拥有复合材料模型数据库Digimat-MX。3D科学谷了解到，e-Xstream 正在为该数据库不断补充3D打印现成材料和打印机型号，如Solvay KetaSpire PEEK（用于熔融沉积成形工艺），Stratasys ULTEM9085和1010（用于熔融沉积成形工艺）或Solvay Sinterline 粉末（用于选区激光烧结工艺）。

在材料方面，e-Xstream正在扩展其材料工程工具（Digimat-MF和Digimat-FE），以便对3D打印材料进行虚拟复合，并模拟打印材料的行为。将过程各向异性考虑在内的先进材料模型，将通过Digimat-MX材料交换数据库进行构建、存储和提升。通过以上功能，3D打印用户能够减少对打印件物理测试的需求，了解推动材料行为的关键参数，并轻松创建新材料系统，例如轻量化的点阵结构。

在工艺方面，Digimat-AM 是一个针对FDM、SLS 增强复合材料3D打印的过程仿真软件解决方案，其作用是预测翘曲和补偿失真等打印问题。工程师能够通过工艺仿真技术评估参数设置对零件翘曲的影响，从而来更好地理解和优化打印工艺。

在性能方面，e-Xstream正在优化其Digimat-RP结构分析仿真技术。Digimat-RP 仿真技术的作用是，通过预测3D打印零件的性能（刚度、弹性等）来验证3D打印设计，例如刀具路径或构建方向。

DassaultSystèmes（达索）

达索在3DEXPERIENCE平台中集成了3D打印仿真功能，包括：创成式设计、增材制造程序员、增材制造研究员和逆向形状优化器。用户可以在平台中无缝的使用设计、制造和仿真功能。

3DEXPERIENCE平台中的一种增材制造工作流程，图片来源：DassaultSystèmes

其中，创成式设计为用户提供定制的拓扑优化设计，以解决特定的增材制造约束，“一键”实现从拓扑优化结果到几何的平滑过渡。增材制造程序员则允许用户在虚拟机上进行打印准备，打印零件摆放，优化支撑，生成刀具路径。增材制造研究员为失真，残余应力和微观结构预测提供热机械和本征应变模拟。逆向形状优化器可根据预测的失真进行形状补偿。

在达索的软件环境中，完整的数字线程可以连接设计优化，几何重建，构建规划，过程仿真和后处理以及在线仿真。基于Abaqus求解器，达索提供可定制的仿真技术，包括多种3D打印工艺的仿真，如：粉末床熔融、直接能量沉积、材料沉积、材料喷射。

COMSOL

COMSOL 拥有多物理场仿真技术，COMSOL Multiphysics 结合了最常见的附加产品，包括结构力学模块，非线性结构材料模块和传热模块。COMSOL的部分用户还选择使用电磁学和化学分析模块。

结构力学模块可以通过一种称为材料活化的技术处理无应变状态的材料沉积，该模块通常与传热模块一起使用，以便在材料沉积的同时进行更高级的热分析。该模块主要用于金属3D打印，但偶尔也用于塑料3D打印。该模块拥有通用工具，可用于增材制造过程所需的刀具路径模拟。

叶轮在底板上的位移图，图片来源：COMSOL

COMSOL 有部分客户是增材制造设备厂商，他们使用COMSOL Multiphysics 仿真技术进一步了解专有增材制造工艺背后的物理现象，进一步开发其3D打印工艺，以及研究如何改变物理过程，以提高打印零件性能。

COMSOL Multiphysics 还为用户提供了便利的仿真模型分享功能。由于许多公司将建模团队划分成设计和仿真两个业务组，各组内的人员可以发挥其自身技术优势。然而这种做法会让部件的设计和分析之间缺乏有效沟通。

COMSOL Multiphysics 的用户英国考文垂制造技术中心的仿真工程师就将仿真模型封装成简明易用的仿真 App，以此来消除两个团队之间的交流障碍。设计工程师无需接触复杂的底层仿真模型，也能在操作界面中运行测试。这大幅简化了对新零件性能的评估过程，设计工程师现在无需求助仿真专业人员，也能方便地对参数进行调整。该仿真 App是利用 COMSOL Multiphysics 中的“App 开发器”创建的，可以针对指定零件显示其最终形状、变形和应力水平的仿真结果。

3D科学谷Review

仿真最终的目标是为了使人们不需要交“学费”，将设备当成试验品，仿真的目的是不浪费时间和金钱，避免错误发生。因此，仿真结果的稳健性尤为关键，这也是仿真技术提供方所追求的目标，这种稳健性对于航空航天、医疗等合规性为王的领域来说尤为重要。

有的仿真业内人士认为缺乏对软件的理解会导致模拟和现实结果之间的差异，而有的业内人士认为缺乏材料数据或缺乏对物理学的理解，决定了仿真模拟与现实结果之间的差异。无论如何，对仿真精度的追求是个无止境的，得到一致、可重复的仿真结果是仿真软件企业的关注点。

此外，仿真软件的可用性也是仿真软件企业的关注点，根据3D科学谷的市场观察，部分公司致力于将仿真技术集成到现有的工作流程和PLM 系统中，使得用户可以在多种设计软件中进行快速切换，这提升了仿真软件的可用性。

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