解决方案
MSC软件增材制造技术解决方案MSC软件公司是全球工程生命周期管理的领军者，MSC愿与您分享部件和总装件的增材制造相关的仿真经验及专业知识。
MSC软件与许多行业合作伙伴协作，开发出了一整套工具，可应对增材制造中的设计挑战和工艺优化。
其目标是：在产品制作和仿真过程中提供重要组成部分的确切定义、首选的顺序/流程，明确对数据模型/结果的辨别，以及与控制过程无缝集成的工具。
还可以利用所有的存储数据来指导全新产品的研发工作以及新技术的开发。
本白皮书主要面向两类读者：•通过运用先进的CAE工具和技术参与管理设计和分析工作的各个阶段的工程经理和CAE经 理。
•参与日常产品生命周期工作（设计/开发/CAE/样机制作与试验），并有意通过运用先进的仿真 技术来提高部件/总成最终制造质量的CAE/设计/制造工艺工程师。
2 MSC软件增材制造技术解决方案 索引 概要·········································································································4
增材制造工艺·····························································································5
增材与减材制造对比····················································································5增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战······················································5增材制造从设计到生产的工作流程··································································6MSC软件的应用：增材制造点对点的仿真框架·················································6增材制造框架分析组件……………………………………………………………………….7结束语·····································································································13
关于MSC软件························································································14 关注
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3 概要 从历史上看，传统的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的原材料转变为成品。
这些技术采用沿用已久的设计/加工方法、工装、设备（例如铸造车间、车床、CNC等）、生产活动及步骤。
MSC软件增材制造技术解决方案 全球主要增材制造市场 单位为百万美元，另有说明的除外 服务与部件直接部件材料系统 资料来源：瑞士信贷银行估值图3（a）：全球主要增材制造市场 图1：传统制造 图2：增材制造增材制造（AM）是对传统制造方法的伟大变革，俗称3D打印。
增材制造作为一种现代化的制造技术，它可以基于计算机辅助设计（CAD）模型逐层制作出三维（3D）物体。
图1和图2展示了这两种类型的制造工艺。
全球增材制造市场包括3D打印机、材料及服务提供商。
其应用领域面向快速样机构建及快速制造。
到2020年，整个市场（不包括材料）的价值有望达到114亿美元；预计2016至2020年间，年增长率将达到21.0%。
图3（a）和图3（b）展示了全球增材制造市场及主要行业分布。
增材制造的主要行业分布 汽车消费品商用机械医疗学术航空航天军事/政府其他 图3（b）：采用增材制造技术的行业 美国材料与试验协会（ASTM）国际委员会F42委员会所设立的标准在采用增材制造技术时发挥着重要作用。
美国材料与试验协会所设立的标准专门面向材料、工艺、技术、设计、数据格式及试验方法。
在优质增材制造部件的生产过程中，这些标准已被证明有所不足。
增材制造技术面临着从设计到生产阶段的众多挑战。
部件制造企业和领先的增材制造研究人员已将以下因素确定为造成增材制造产品设计及售后性能不佳的一些关键指标。
1.缺乏对各种“假设”情况进行指导的分析（仿真）过程；
2.对影响材料特性的制造、可变因素所进行的研究不够准确；
3.机器/工艺控制参数变化范围大，影响增材制造部件的质量。
MSC软件与许多行业合作伙伴协作，开发出了一种框架和工具套件，可应对各种设计挑战和工艺优化。
MSC的目标是使产品设计师和工程师能从增材制造技术将在未来发挥出的潜力中全面受益。
4 MSC软件增材制造技术解决方案 增材制造工艺 部件制造企业在1980年代和1990年代曾经极其完美地对快速样机建造（RP）技术进行了实验并实现了商业化。
借助这些技术，可通过3D计算机辅助设计来制作实物部件或总成的比例模型。
最终导致快速模具制造（RT）的出现，即直接利用快速样机工艺来生产模具。
二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类别工艺（即“增材制造”）的需求。
2016年3月3日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的SHIPTECH2016会议中，ConcurrentTechnologies公司的hSabo介绍了增材制造工艺的优势与挑战。
表1给出了增材制造工艺的优势/挑战概览。
优势
1.小批量的需求
2.无需模具、无需安装设置
3.复杂几何形状的设计
4.定制装配部件
5.强度高于锻件/铸件
6.非常适合于样机 挑战
1.对机器/工艺材料进行鉴定
2.所有机器/建造之间保持一致
3.具有成本效益的逻辑解决方案
4.创新的工艺控制
5.延展性低于锻件/铸件
6.必须控制变形量 表1：增材制造工艺的优势/挑战 增材制造技术通常应用于以下产品。
图4（a）展示了采用增材制造技术生产的样件。
医疗植入物；模具制造；通过拓扑优化减轻重量；支架/工具/夹具；图案；定制总成配件；小批量生产。
增材制造与减材制造对比 澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造重点技术主管SweeMak博士在2014年6月4日的Hunter研究基金会会议上展示了图4（b）。
他提出：“采用增材制造方法对一整块成品材料进行加工以制造出最终产品，与传统的减材制造方法相比，不仅速度快、能耗低，而且减少了废料。
” 图4（b）：增材与减材制造对比 在增材制造领域，能够制作出全新水准的几何形状复杂的物体，这使得采用常规制造方法无法完成或者代价极高的功能性设计成为可能。
将增材制造应用于金属或塑料部件的生产，可实现新颖、轻量化的设计，并有可能只需较少的部件。
增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战 过去25年间，增材制造技术突飞猛进。
但是，与材料、设备、机器/工艺变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件需要考虑的主要因素。
Concurrent技术公司（CTC）总监hSabo先生在ShipTech2016年会上发表演讲并对CTC的研究进行了总结。
图5展示了增材制造从设计到生产阶段的各种挑战。
形态 尺寸、形状、化学成分、可循环性、稳定性、分布 参数 功率、速度、环境、稳定性、标定、设置 二级 表面加工、热处理、热等静压、机加工、 清洁、检验 性能 强度、疲劳、磨损、安全性、认证、鉴定、 应用 设计 部件类型 优化、部件精简、修复、新颖设计、特性、自由复杂度 材料 增材制造工艺 后处理 接合/重复 迁移 增材制造技术 电子束粉/丝、激光净成形、激光粉床、超声波、 冷喷、喷射粘结剂 三级 修复、接合、辅助工艺 图4（a）：GELeap发动机燃料喷嘴 图5：增材制造从设计到生产阶段的各种挑战 从设计到生产阶段的各种挑战包括材料特征化、打印机鉴定及工艺变化。
材料特征化：当前，增材制造部件生产者还未拥有材料属性数据的中心 资料库。
行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案，除非可以记录/分类保存可用材料的材料属性数据。
需要研究/记录选定部件的增材制造材料能力（例如与构建方向、拉伸强度、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等有关的材料属性），并提供给所有厂家。
如果不能得到增材制造部件的材料属性，工程师/设计师就无法将增材制造视为成熟的制造方法。
5 MSC软件增材制造技术解决方案 工艺变化：现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性。
有时粉末会 出现高达85%的废品率。
需要开发出创新的方法，以改进早期的缺陷检测。
良好的工艺控制可缩短机器停工时间，这也是当前许多机器和工艺遇到的主要问题。
打印机鉴定：值得注意的是机器间以及部件间的可重复性。
需要对部件 布局（基于打印机的性能对部件放置、打印方向以及打印角度）进行精调。
需要通过统计分析来估算与打印方向/方位有关的材料强度。
需要进行一系列的“假设”研究，以便了解深层次的变化。
大多数大中型美国制造商都要日复一日地处理上述难题。
他们提到的一些关注点如下：
1.增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？
2.采用增材制造技术是否是明智之举？
3.我应当对物流/供应商提出哪些建议？
4.什么是关键变量的灵敏度矩阵？
5.表面为何会过于粗糙或过于精细？
6.粉末废品率为何会如此之高？ 第5步到第8步：提取样品、进行测量及测试 根据机器的类型以及几何形体的复杂程度，打印出给定的3D部件有可能需要数小时。
部件打印完毕后，对其进行测量、拉伸试验并检查表面粗糙度。
所有的数据都被记录到图表中，并进行敏感度研究和统计分析，以便指导下一批次的设计/打印过程。
第1步CAD文件 第2步STL文件 第3步输入到 Catalyst软件中 第4步在三维打印机中打印 第8步 将数据记录到图表中 第7步测试样品 第6步测量样品 第5步取样 图6：标准增材制造工作流程 现在有许多商用3D打印机制造商。
典型的3D打印机如图7所示。
典型的构建托盘和打印头如图8所示。
增材制造从设计到生产的工作流程 增材制造是根据计算机辅助设计（CAD）来生产三维物体的过程。
在增材过程中，通过分层连续铺设材料的方式创建物体，直至打印出整个物体。
第1步到第8步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程。
图6展示了典型的增材制造工作流程。
第1步：计算机辅助设计（CAD） 增材制造工作从CAD开始。
设计师对指定的增材制造部件进行草图绘制、定位、分配材料、着色以及亮面/亚光处理,必要时检查CAD模型有无孔洞、基面法线及自交叉等错误，甚至是重建来提高精度。
第2步：生成立体光刻（STL）文件 将托盘中经过设计、模型转换及定位的三维物体存储为一个STL格式文件。
第3步：输入到Catalyst软件中 上一步骤完成后，将以STL格式存储的模型文件导入Catalyst软件进行处理，即将模型转换为一系列薄层（3D切片），并针对具体的3D打印机类型生成含有打印路径\打印方向等信息的G代码文件。
第4步：在三维打印机中打印 将G代码文件加载到3D打印机中。
相应的3D客户端软件会指示打印机初始化3D打印过程。
3D打印机将读取数据，依照各层的样式在层中铺放并添加连续的液体、粉末、金属板及其他材料，从而打印出3D物体。
打印机分辨率以每英寸点数（dpi）或微米（um）为单位来描述层厚度(Z方向)以及X-Y(面内的)分辨率。
典型的层厚度及X-Y分辨率约为250DPI，但有些机器可以打印薄至1600DPI的分辨率。
粉末室 打印头 构建托盘 图7：MakerBotReplicator2型增材制造设备 图8：典型增材制造设备构建托盘及打印头 MSC软件的应用：全面的增材制造仿真框架 过去十年间，MSC软件与各行业协作推出了创新的分析框架，其中包括先进的多尺度、基于多物理场的分析仿真工具。
该框架集3D增材制造部件的功能/制造约束、成本函数及虚拟仿真于一身，旨在实现优质的生产能力。
Honeywell公司负责DARPA开放式制造计划的首席研究员AlonsoPeralta于2016年提出过如下内容： “…残余应力和变形随着制作条件和制作方式而变化。
残余应力并不是等双轴应力。
事实证明，在制作细长结构时，分析（仿真）预测起着重要作用，这是由于层间的过度变形会导致无法接受的与预期几何体之间的偏离…”
6 MSC软件增材制造技术解决方案 图9：增材制造点对点分析框架 MSC软件公司的增材制造分析框架展示出具备下列能力：•管理生命周期各个阶段所有的客户功能需求；•存储所有的仿真流程及数据（模型及结果）；•所有材料属性、工艺及设备、加工/制作信息的中心数据库；•存储与增材制造部件有关的各种类型的试验及质量控制信息；•将优化出的优质形态传回CAD软件进行几何处理，从而实现最终的制 造；•将所有的报告存档。
图9给出了点对点增材制造仿真框架的工作流程。
对增材制造工艺进行建模需要各种仿真能力，以应对热源形态、流体流动、微观结构相变、残余应力，以及变形、优化形态等。
在增材制造工艺仿真中，工程师/设计师可以处理直径10至25微米级别的颗粒、长40至80mm的物体以及长达一千米的激光路径。
尽管热源只保持数微秒的接触时间，但整个制作过程有可能历时数天。
可将框架内仿真工具包（解决方案集）的全部能力细分为两个类别：
1.增材制造打印之前•搜索数千种材料及相关属性的数据库，选择能达到最优设计的材料类 型。
•采集并存储用于下一次打印的材料。
•对制造方法、能量输入、速度、材料沉积、打印路径、热处理、微观 结构、残余应力及机械性能进行仿真。
•部件设计的自动优化，其中包括考虑制造的性能及重量。
•对打印机参数进行优化，用于重复生产。
2.增材制造打印之后•对输出进行分析，以便更加透彻地了解哪些参数导致最终变 形。
•研究灵敏度矩阵并优化参数，以提高未来制作的选择标准。
•预测产品性能、韧性及寿命。
增材制造框架分析组件 MSC软件公司的框架由一组仿真工具组成，是下一代的企业级可扩展系统。
基于网络的直观界面使工程部门能够对材料或部件/机器/工艺/增材制造行为进行虚拟化。
该框架可为指定部门的各个相关方提供精确的信息传输。
框架/工具的重要元素说明如下：
1.流程与数据管理：SimManager与MaterialCenter
A.SimManager该系统是一种仿真流程与数据管理系统（SPDM），集成了客户应用、商业工具以及内部开发的程序。
它拥有可靠的跟踪记录，每天可管理数百个并发用户运行的数千个仿真及操作。
不仅能在企业内部的所有信息孤岛之间安全地共享信息，还能在整个产品生命周期阶段将信息进一步扩展至供应链网络。
图10（a）：仿真流程与数据的管理 图10（b）：跟踪所有变量的目标和要求 图10（c）：两组材料之间的差异
7 MSC软件增材制造技术解决方案 图10（a）所示为对虚拟域中的仿真流程及3D增材制造部件数据的管理。
图10（b）所示为跟踪所有变量的目标及要求。
图10（c）所示为两组材料之间的差异。
B.MaterialCenterMaterialCenter是面向现在和将来材料数据及过程管理需求的完整解决方案。
它能管理从实物试验到各种设计许用值的整个材料流程（整体工艺管理、自动可追溯性、强大的工作流以及批准流程等）。
图11（a）给出了MaterialCenter的工作流程。
8.生成打印设备鉴定方案和控制库；
9.通过集成的有限元分析解算器（MSCDigimat）对材料属性进行逆向工程 分析；10.利用所有的存储数据来指导即将进行的研发工作以及未来的方法开发。
工程师的任务 待测试 材料测试 已测试 上游工程应用 任务自动管理 流程管理从客户需求到”增材制造”实施 图12：MaterialCenter中的增材制造工作流程管理 图11（a）：MaterialCenter工作流程 MaterialCenter 可通过MaterialCenter实现标准的增材制造工作流程（从客户需求导入到管理所有任务均为自动模式，最终将报告反馈给客户）。
据行业客户报告称，在利用MaterialCenter来管理增材制造流程时，投资回报率（ROI）可超过40%。
图12所示为MaterialCenter环境中的增材制造工作流程管理。
MaterialCenter的增材制造示意图源自在宾夕法尼亚州立大学和美国军方所进行的多年合作研究。
其中包括金属/非金属/塑料的增材制造过程。
可将该系统当作制造属性/打印设备以及流程鉴定参数的资料库。
增材制造 下一代材料生命周期管理系统 内置模板可构建或导入材料/打印设备/工艺/试验数据。
可利用Excel集成来映射并导入用于增材制造及各种试验方法的定制模板。
例如： •增材制造电子束沉积(送粉/送丝)； •增材制造定向激光束沉积(送粉/送丝)； •增材制造粉床熔融(铺粉)； •增材制造熔融沉积造型； •各种拉伸试验（断裂韧度K1C）； 图11（b）：下一代材料生命周期管理系统的生态系统和集成接触点 MaterialCenter在设计上还能通过采用ICME（集成计算材料工程）和虚拟许用值来应对下一代需求。
系统内置有2500种材料及其相关属性的数据库。
数据库中有10%的材料为塑料。
图11（b）所示为MaterialCenter的生态系统。
•各种硬度试验（夏氏冲击）。
图13所示为基于激光粉床熔融(铺粉)模板示例。
它能自动采集结果用于对比、置信度评估及认证——这些结果在MaterialCenter有完整的可追溯性，将增材制造带入了新的高度。
它还提供了全面的工作流程工具，能够采集从概念设计到最终构建阶段的每一步制造流程中的信息。
这种基于网络的高级工具拥有以下优势：
1.从客户到工程/制造的工作流程管理；
2.CAD/STL信息数据库；
3.所有的环境/制造条件记录；
4.所有的打印设备/工艺/构建参数资料库；
5.样品统计分析，对打印设备/工艺参数进行“假设”研究；
6.材料/打印设备/工艺/样机构建及试验操作的谱系信息；
7.开发预测部件行为的模型，以便量化部件性能（刚度、强度及寿命）； 图13：MaterialCenter中的增材制造(激光粉床熔融模板示例)工作流程管理
8 MSC软件增材制造技术解决方案 MaterialCenter内置的分析器会进行各种形式的统计分析，使打印设备/过程鉴定更加完善。
图14（a）和图14（b）示意了对增材制造数据的追踪分析及后处理。
以下列出了其中的一部分分析功能:
1.计算平均质量、厚度、峰值负载、峰值应力、断裂应变及模量；
2.A中列出了所有参数的标准偏差；
3.生成特性曲线： 峰值负载与充填百分比峰值应力与充填百分比模量与充填百分比峰值应力与质量
4.动态数据分析流程减少了的步骤；
5.序列过程自动化；
6.可通过Python、JAVA、MATLAB或第三方CAE软件对自定义归算法 进行集成。
微结构仿真软件 PCL文件 MSCPatran前处理 MSCPatran后处理 图15：微观结构建模及分析流程 图14（a）：MaterialCenter中的数据分析/后处理 MaterialCenter
3.MSC分析工具：SimufactAdditive、SimufactWelding、Digimat、Marc、Nastran及Fatigue 可利用MSC的分析工具（SimufactAdditive、SimufactWelding、Marc、Digimat、Nastran及Fatigue）在3D增材制造部件的各个生命周期阶段（从概念到维护）进行各种形式的仿真工作。
通过一系列的仿真及“假设”研究得到最优的设计形状及尺寸，并将信息传回CAD系统进行后续处理。
下文给出了上述各软件的具体应用。
A.SimufactAdditive、SimufactWelding: Simufact系列产品是MSC软件公司用于金属工艺制造领域的仿真分析旗舰产品。
它能仿真金属增材制造过程中的虚拟制造工艺。
基于阶段性模型提供多尺度方法，同时考虑到柔性材料的数据结构。
它充分利用了Marc的求解器的先进技术，并可为建模、求解及结果查看提供统一的平台。
图16（a）和（b）详细说明了业内广泛使用的增材制造工艺以及SimufactAdditive、SimufactWelding的主要应用。
图16（c）给出了粉床熔融室示意图。
广泛使用的增材制造工艺… 分析脚本 图14（b）：MaterialCenter的增材制造材料/机器设备/工艺数据统计分析
2.有限元（FE）前\后处理：Patran和MSCApex MSC公司在业内领先的前\后处理器Patran和Apex可读取来自CAD管理专家（例如PDM系统）的3D增材制造部件的CAD数据,并进行有限元网格生成,同时为后续分析对部件/总成进行必要的边界条件处理，对分析结果进行可视化的后处理。
行业合作伙伴所使用的MSCPatran/Nastran工具包，可根据晶粒尺寸、形状、方位、纹理、空洞、晶界缺陷、多相及体积分数等自动生成2D/3D微观结构模型。
该工具包能以较高的精度预测分布在每个晶粒中的微观应力及宏观应变。
图15给出了用于微观结构建模及分析步骤的典型工作流。
图16（a）：广泛使用的增材制造工艺最常见的粉床熔融(铺粉)打印技术… pr 图16（b）：粉床熔融(铺粉)技术
9 MSC软件增材制造技术解决方案 粉末 惰性气体 pr 辊子 能量源（激光） p部r件 粉末室图16（c）：粉床熔融(铺粉打印)示意图 制作室 通常在Patran或Apex环境中对指定的3D增材制造部件（工件）划分网格并进行前处理。
用户在SimufactAdditive、SimufactWelding中将边界条件或工艺、材料参数分配给有限元网格。
此类参数包括： •能量输入（耦合；等效热源）； •打印速度； •材料沉积/融化速率； •打印路径 •粉末特性； •支撑/支持结构； •热处理； •制造方法（通过输入参数间接对应；铺粉/送粉/送丝）。
采用规则的像素(Voxel)网格替代不规则的有限元网格实现网格快速划分能表征任何复杂结构规则的网格结构具有加速潜力 提供多尺度计算方法：微观（类似焊接）等效热源模型完全瞬态热-结构耦合较高的求解精度细观基于固有应变方法或热循环法简化算法宏观层积模型（基于固有应变方法）求解速度极快 图17：SimufactAdditive采用的多尺度算法 根据所需的结果，SimufactAdditive提供了多种计算方法可供选择。
包括基于固有应变方法的宏观算法用于快速仿真，以预测整体变形及残余应力。
微观级别的详细研究是包含移动热源和金相模型的瞬态热-结构耦合仿真。
SimufactAdditive在同一环境中将所有的仿真方法无缝地整合在一起，不同方法可以进行交替互换，无需针对不同计算方法切换到不同的界面或模块中进行重新建模。
典型的解算方法如图17所示。
SimufactAdditive仿真的目标结果如下：•制作过程中的变形及残余应力；•微观结构（金相和晶粒尺寸）； •支撑/支持结构的位置及强度/刚度；•失效模式预测；•支撑结构不足；•裂纹萌生/裂纹扩展高风险区；•制造后的最终形状。
最近，SimufactAdditive被领先的增材制造厂商用于航空航天部件的增材制造仿真。
在2016年3月于德国柏林召开的DDMC会议中给出了对应的仿真流程及结果。
图18（a）和（b）展示了其中的亮点部分。
展示于2016年3月16-17日在柏林举行的FraunhoferDDMC即2016—直接数字化制造会议 几何及尺寸 高度：64.5mm 宽度：65.0mm 长度：160.8mm 切断基板，由残余应力释放变形 实测3D打印后部件最 大变形量为2.28mm 图18（a）：SimufactAdditive模拟增材制造过程的亮点 将固有应变（来自悬臂梁结构实测结果）应用到更大、更复杂的结构上 单元尺寸为1.0mm70+1个增量步 计算时间≈40分钟（IntelXeon3.2GHz，八核）确定优化潜力，假定加速系数为2-5采集常规变形模式 仿真预测的最大变形量为2.00mm误差为正常数量级 图18（b）：SimufactAdditive模拟增材制造过程的亮点 SimufactAdditive、SimufactWelding配备有业界领先的常用增材制造材料（内置）数据库。
其中一些金属材料如下：
1.钛合金（TiAl6V4、TiAl6Nb7及纯钛）；
2.钴铬合金类（CoCrMo）；
3.镍合金（Inconel625、718、939）及哈氏合金X（Hastalloy）；
4.铝合金（AlSi10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlSi9Cu3）；
5.钢类（1.2709、17-4PH、15-5PH、316L）。
B.Digimat: MSC软件公司的e-Xstream工程团队在Digimat软件包中开发的仿真工具可用于两种特定的塑料增材制造应用： 10 MSC软件增材制造技术解决方案
1.选择性激光烧结（SLS）；
2.熔融沉积建模（FDM）——如图19（a）所示。
•加速性（DDM、性能）；•直接的层及单元激活(生死单元技术)；•直接激光扫描路径设置及参数设置；•温度相关的热-结构耦合能力及塑性模型；•瞬态的热-结构耦合分析。
最近，Marc对德国不来梅大学的(航空航天用)钛结构增材制造的热结构行为进行了仿真。
研究团队的主要关注点是研究增材制造过程中的热传递以及残余应力的分布和大小。
该团队在图20（a）、（b）和（c）中给出了其假设条件/预测结果。
Thermo-mechanicalSimulationofAdditiveLayerManufactureingofTitaniumAerospaceStructures，
N.Keller，
F.Neugebauer，2014 不莱梅大学集成仿真、材料与工艺工程空客公司首席教授 •选择性激光熔融•系列微观增材制造工艺•结构化六面体网格 图19（a）：采用FDM技术打印角型增材制造部件时的温度场 全球先进聚合物解决方案领军厂商Solvay公司已在Polimotor2项目中成功地应用了Digimat的增材制造仿真工具。
该项目旨在用塑料材料替换Polimotor2发动机中多达十个金属部件，为实现汽车领域的技术性突破开辟道路。
采用以40%玻璃珠加载进行强化的SinterlineTechnyl尼龙6（PA6）粉末等级，通过选择性激光烧结（SLS）来生产增材制造部件（腔室）。
使用Digimat对多尺度热结构材料的增强塑料进行建模，然后对分层增材制造进行分析。
将静态工作负载边界条件应用到组件上。
分析计算预测出轻度变形以及最大可承受压力9.1bar。
此外还对打印方向进行了优化，由此最多可增加40%的负载而无需对几何进行调整。
图19（b）所示为部件、变形及临界失效点。
图2：拓扑优化后的支架有限元分层网格图20（a）：Marc中的热-结构耦合仿真 热流输入 固有应变方法 图19（b）：采用Sinterline打印Polymotor2 Digimat配备有10,000多种材料（增强塑料）属性及微机械分析特征的大型数据库。
这是基于多年的经验积累、实验室协作试验以及由公开渠道获得的认证过/验证过的数据。
C.Marc: 出于多种原因，有限元分析师采用Marc非线性算法来研究增材制造工艺。
其中的原因有：•处理非线性制造工艺的超强能力； 固定位移约束 图20（b）：Marc仿真中的边界条件Marc的最新应用包括对增材制造部件的切削加工和表面处理进行仿真。
D.MSCNastran和Fatigue： 11 MSC软件增材制造技术解决方案 ALM工艺后 铣削处理之后 图20（c）：由Marc仿真模型预测的残余应力 当周期性循环应力出现在增材制造部件的潜在裂纹萌生部位时，应力历程就显得至关重要。
它可以是材料中的任何缺陷或孔洞，或者是由增材制造工艺所导致。
在部件的使用寿命期间损伤会累积。
如果损伤增长至超过临界极限，就会萌生裂纹并将使用寿命缩至最短。
通常在远低于强度极限处可观察到疲劳裂纹。
可将疲劳加载下增材制造部件的使用寿命分为下列两个领域：
1.裂纹萌生
2.疲劳裂纹扩展 下图21（a）所示为典型的周期性应力变化。
应力幅值围绕平均应力振荡。
在相邻峰值间隔对应应力周期。
应力周期的数量以及应力幅值决定了结构的疲劳寿命。
应力范围幅值 图21（c）：增材制造部件样品的疲劳寿命延长 可使用MSCFatigue研究增材制造部件的下列疲劳问题：
1.高周（S-N）与低周（E-N）疲劳寿命；
2.采用Palmgren-Miner法则进行变形和损伤分析；
3.采用Paris定律的裂纹萌生及裂纹扩展；
4.用虚拟应变片进行试验-解析比对；
5.采用随机载荷的振动疲劳；
6.非比例多轴应力状态评估；
7.多个并发载荷及多次事件；
8.安全因子分析。
最近对采用增材制造加工的汽车动力传动系组件样品进行了在随机振动载荷下的疲劳寿命计算验证，其结果如下图22（a）、（b）、（c）及（d）所示。
时间（秒） 图21（a）：典型负载应力历程 通过采用裂纹生长抑制方法可延长使用寿命。
有时可通过制作缺口截面来延长总使用寿命。
通过改变缺口的尺寸、形式、位置及缺口方向来改变应力分布，从而延长疲劳寿命。
德国帕德博恩大学的HansAlbertRichard博士及其研究团队于2015年指出，“在裂纹萌生阶段内，大幅提高负载周期数量（与裂纹扩展阶段的周期数量相比）可延长使用寿命。
” Richard博士及其团队针对增材制造部件样品进行了裂纹萌生/裂纹扩展研究，并在图21（b）和（c）中总结了其设计推导结果。
图22（a）：对承受多种输入(随机振动载荷)的增材制造部件的疲劳寿命预测 图21（b）：改变缺口位置、形式及缺口方向控制疲劳寿命 图22（b）：未做UTS修正的应力寿命预测12 MSC软件增材制造技术解决方案 最近，MSCNastran被用于对钛合金材料的航空航天发动机连接接头增材制造部件进行线性静态及屈曲行为的仿真和拓扑优化。
MSCNastranSOL200拓扑优化可将增材制造部件的重量降低70%，同时保持与初始设计相同的静态（应力和变形）及屈曲表现。
图23所示为初始设计及优化设计。
结束语 生成表格并绘制二维、三维结果图 在过去25年间，增材制造已从快速样机处理成长为一系列先进技术，为全球越来越多的企业、政府机构及个人客户所采用。
但它在制作优质部件时始终面临着难题，对此可借助一些商业系统来辅助解决所有的缺陷。
MSC软件公司的增材制造点对点仿真框架已成为解决增材制造难题的“中坚力量”。
该系统不仅能应用于增材制造产品整个开发生命周期（设计、开发、仿真/样机构建、试验及售后性能）的各个阶段，还涵盖了从概念到维护过程中涉及的全部材料/机器设备/工艺/制作鉴定。
图24概述了该分析框架中增材制造从部件设计到部件性能分析的各个阶段。
图22（c）和（d）：多种加载条件下周期直方图分布的预测 作为小总成或大总成的一部分，任何给定的增材制造部件在经过一段时间后都有可能存在配合/光洁度、公差及功能性能问题。
有限元分析师可对所有此类问题进行仿真，并使用MSC软件公司赫赫有名的分析工具包MSCNastran预测给定增材制造部件的耐用性和噪声、振动及声振粗糙度。
可将其用于下列仿真：
1.高VonMises应力区及最大变形区；
2.增材制造部件及总成的噪声与振动效应；
3.出现屈曲的区域；
4.拓扑、尺寸和形貌优化。
3D增材制造部件CAD设计 3D增材制造部件有限元网格 图24：分析框架中的增材制造各个阶段 3D增材制造部件性能 图23:航空航天用钛合金增材制造部件的初始设计与优化设计（重量减轻70%） 13 MSC软件增材制造技术解决方案 关于MSC软件公司 MSC软件公司是全球多学科仿真解决方案的领导者，可帮助众多公司改进质量、节省时间，同时降低与设计、测试所制造产品有关的成本。
MSC软件公司与世界各地的数千家公司合作，利用工程仿真技术、软件及服务更快、更好地开发产品。
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全球排名前1000位的制造商中，有900家使用MSC软件公司的产品和服务。
这些制造商涵盖了多个行业，其中包括航天、国防、汽车、运输、农用设备、重型机械、医疗器械、油气、核能、消费产品、可再生能源、包装、电子及造船。
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MSC软件与许多行业合作伙伴协作，开发出了一整套工具，可应对增材制造中的设计挑战和工艺优化。
其目标是：在产品制作和仿真过程中提供重要组成部分的确切定义、首选的顺序/流程，明确对数据模型/结果的辨别，以及与控制过程无缝集成的工具。
还可以利用所有的存储数据来指导全新产品的研发工作以及新技术的开发。
本白皮书主要面向两类读者：•通过运用先进的CAE工具和技术参与管理设计和分析工作的各个阶段的工程经理和CAE经 理。
•参与日常产品生命周期工作（设计/开发/CAE/样机制作与试验），并有意通过运用先进的仿真 技术来提高部件/总成最终制造质量的CAE/设计/制造工艺工程师。
2 MSC软件增材制造技术解决方案 索引 概要·········································································································4
增材制造工艺·····························································································5
增材与减材制造对比····················································································5增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战······················································5增材制造从设计到生产的工作流程··································································6MSC软件的应用：增材制造点对点的仿真框架·················································6增材制造框架分析组件……………………………………………………………………….7结束语·····································································································13
关于MSC软件························································································14 关注
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3 概要 从历史上看，传统的制造方法主要是利用消减工艺将各种形式的原材料转变为成品。
这些技术采用沿用已久的设计/加工方法、工装、设备（例如铸造车间、车床、CNC等）、生产活动及步骤。
MSC软件增材制造技术解决方案 全球主要增材制造市场 单位为百万美元，另有说明的除外 服务与部件直接部件材料系统 资料来源：瑞士信贷银行估值图3（a）：全球主要增材制造市场 图1：传统制造 图2：增材制造增材制造（AM）是对传统制造方法的伟大变革，俗称3D打印。
增材制造作为一种现代化的制造技术，它可以基于计算机辅助设计（CAD）模型逐层制作出三维（3D）物体。
图1和图2展示了这两种类型的制造工艺。
全球增材制造市场包括3D打印机、材料及服务提供商。
其应用领域面向快速样机构建及快速制造。
到2020年，整个市场（不包括材料）的价值有望达到114亿美元；预计2016至2020年间，年增长率将达到21.0%。
图3（a）和图3（b）展示了全球增材制造市场及主要行业分布。
增材制造的主要行业分布 汽车消费品商用机械医疗学术航空航天军事/政府其他 图3（b）：采用增材制造技术的行业 美国材料与试验协会（ASTM）国际委员会F42委员会所设立的标准在采用增材制造技术时发挥着重要作用。
美国材料与试验协会所设立的标准专门面向材料、工艺、技术、设计、数据格式及试验方法。
在优质增材制造部件的生产过程中，这些标准已被证明有所不足。
增材制造技术面临着从设计到生产阶段的众多挑战。
部件制造企业和领先的增材制造研究人员已将以下因素确定为造成增材制造产品设计及售后性能不佳的一些关键指标。
1.缺乏对各种“假设”情况进行指导的分析（仿真）过程；
2.对影响材料特性的制造、可变因素所进行的研究不够准确；
3.机器/工艺控制参数变化范围大，影响增材制造部件的质量。
MSC软件与许多行业合作伙伴协作，开发出了一种框架和工具套件，可应对各种设计挑战和工艺优化。
MSC的目标是使产品设计师和工程师能从增材制造技术将在未来发挥出的潜力中全面受益。
4 MSC软件增材制造技术解决方案 增材制造工艺 部件制造企业在1980年代和1990年代曾经极其完美地对快速样机建造（RP）技术进行了实验并实现了商业化。
借助这些技术，可通过3D计算机辅助设计来制作实物部件或总成的比例模型。
最终导致快速模具制造（RT）的出现，即直接利用快速样机工艺来生产模具。
二十世纪末，制造技术的发展产生了对新类别工艺（即“增材制造”）的需求。
2016年3月3日，在美国南卡罗莱纳州查尔斯顿举办的SHIPTECH2016会议中，ConcurrentTechnologies公司的hSabo介绍了增材制造工艺的优势与挑战。
表1给出了增材制造工艺的优势/挑战概览。
优势
1.小批量的需求
2.无需模具、无需安装设置
3.复杂几何形状的设计
4.定制装配部件
5.强度高于锻件/铸件
6.非常适合于样机 挑战
1.对机器/工艺材料进行鉴定
2.所有机器/建造之间保持一致
3.具有成本效益的逻辑解决方案
4.创新的工艺控制
5.延展性低于锻件/铸件
6.必须控制变形量 表1：增材制造工艺的优势/挑战 增材制造技术通常应用于以下产品。
图4（a）展示了采用增材制造技术生产的样件。
医疗植入物；模具制造；通过拓扑优化减轻重量；支架/工具/夹具；图案；定制总成配件；小批量生产。
增材制造与减材制造对比 澳大利亚联邦科学与工业研究组织的未来制造重点技术主管SweeMak博士在2014年6月4日的Hunter研究基金会会议上展示了图4（b）。
他提出：“采用增材制造方法对一整块成品材料进行加工以制造出最终产品，与传统的减材制造方法相比，不仅速度快、能耗低，而且减少了废料。
” 图4（b）：增材与减材制造对比 在增材制造领域，能够制作出全新水准的几何形状复杂的物体，这使得采用常规制造方法无法完成或者代价极高的功能性设计成为可能。
将增材制造应用于金属或塑料部件的生产，可实现新颖、轻量化的设计，并有可能只需较少的部件。
增材制造技术中需要考虑的因素及主要挑战 过去25年间，增材制造技术突飞猛进。
但是，与材料、设备、机器/工艺变化及应用等有关的技术难题一直是生产优质部件需要考虑的主要因素。
Concurrent技术公司（CTC）总监hSabo先生在ShipTech2016年会上发表演讲并对CTC的研究进行了总结。
图5展示了增材制造从设计到生产阶段的各种挑战。
形态 尺寸、形状、化学成分、可循环性、稳定性、分布 参数 功率、速度、环境、稳定性、标定、设置 二级 表面加工、热处理、热等静压、机加工、 清洁、检验 性能 强度、疲劳、磨损、安全性、认证、鉴定、 应用 设计 部件类型 优化、部件精简、修复、新颖设计、特性、自由复杂度 材料 增材制造工艺 后处理 接合/重复 迁移 增材制造技术 电子束粉/丝、激光净成形、激光粉床、超声波、 冷喷、喷射粘结剂 三级 修复、接合、辅助工艺 图4（a）：GELeap发动机燃料喷嘴 图5：增材制造从设计到生产阶段的各种挑战 从设计到生产阶段的各种挑战包括材料特征化、打印机鉴定及工艺变化。
材料特征化：当前，增材制造部件生产者还未拥有材料属性数据的中心 资料库。
行业无法实现整体迁移来提供完整的制造解决方案，除非可以记录/分类保存可用材料的材料属性数据。
需要研究/记录选定部件的增材制造材料能力（例如与构建方向、拉伸强度、屈服强度、环境考虑、断裂韧度等有关的材料属性），并提供给所有厂家。
如果不能得到增材制造部件的材料属性，工程师/设计师就无法将增材制造视为成熟的制造方法。
5 MSC软件增材制造技术解决方案 工艺变化：现有方法尚不足以解决工艺可重复性和一致性。
有时粉末会 出现高达85%的废品率。
需要开发出创新的方法，以改进早期的缺陷检测。
良好的工艺控制可缩短机器停工时间，这也是当前许多机器和工艺遇到的主要问题。
打印机鉴定：值得注意的是机器间以及部件间的可重复性。
需要对部件 布局（基于打印机的性能对部件放置、打印方向以及打印角度）进行精调。
需要通过统计分析来估算与打印方向/方位有关的材料强度。
需要进行一系列的“假设”研究，以便了解深层次的变化。
大多数大中型美国制造商都要日复一日地处理上述难题。
他们提到的一些关注点如下：
1.增材制造能否生产出轻量化、高性价比的优质产品？
2.采用增材制造技术是否是明智之举？
3.我应当对物流/供应商提出哪些建议？
4.什么是关键变量的灵敏度矩阵？
5.表面为何会过于粗糙或过于精细？
6.粉末废品率为何会如此之高？ 第5步到第8步：提取样品、进行测量及测试 根据机器的类型以及几何形体的复杂程度，打印出给定的3D部件有可能需要数小时。
部件打印完毕后，对其进行测量、拉伸试验并检查表面粗糙度。
所有的数据都被记录到图表中，并进行敏感度研究和统计分析，以便指导下一批次的设计/打印过程。
第1步CAD文件 第2步STL文件 第3步输入到 Catalyst软件中 第4步在三维打印机中打印 第8步 将数据记录到图表中 第7步测试样品 第6步测量样品 第5步取样 图6：标准增材制造工作流程 现在有许多商用3D打印机制造商。
典型的3D打印机如图7所示。
典型的构建托盘和打印头如图8所示。
增材制造从设计到生产的工作流程 增材制造是根据计算机辅助设计（CAD）来生产三维物体的过程。
在增材过程中，通过分层连续铺设材料的方式创建物体，直至打印出整个物体。
第1步到第8步展示的是物体从设计直至生产的整个工作流程。
图6展示了典型的增材制造工作流程。
第1步：计算机辅助设计（CAD） 增材制造工作从CAD开始。
设计师对指定的增材制造部件进行草图绘制、定位、分配材料、着色以及亮面/亚光处理,必要时检查CAD模型有无孔洞、基面法线及自交叉等错误，甚至是重建来提高精度。
第2步：生成立体光刻（STL）文件 将托盘中经过设计、模型转换及定位的三维物体存储为一个STL格式文件。
第3步：输入到Catalyst软件中 上一步骤完成后，将以STL格式存储的模型文件导入Catalyst软件进行处理，即将模型转换为一系列薄层（3D切片），并针对具体的3D打印机类型生成含有打印路径\打印方向等信息的G代码文件。
第4步：在三维打印机中打印 将G代码文件加载到3D打印机中。
相应的3D客户端软件会指示打印机初始化3D打印过程。
3D打印机将读取数据，依照各层的样式在层中铺放并添加连续的液体、粉末、金属板及其他材料，从而打印出3D物体。
打印机分辨率以每英寸点数（dpi）或微米（um）为单位来描述层厚度(Z方向)以及X-Y(面内的)分辨率。
典型的层厚度及X-Y分辨率约为250DPI，但有些机器可以打印薄至1600DPI的分辨率。
粉末室 打印头 构建托盘 图7：MakerBotReplicator2型增材制造设备 图8：典型增材制造设备构建托盘及打印头 MSC软件的应用：全面的增材制造仿真框架 过去十年间，MSC软件与各行业协作推出了创新的分析框架，其中包括先进的多尺度、基于多物理场的分析仿真工具。
该框架集3D增材制造部件的功能/制造约束、成本函数及虚拟仿真于一身，旨在实现优质的生产能力。
Honeywell公司负责DARPA开放式制造计划的首席研究员AlonsoPeralta于2016年提出过如下内容： “…残余应力和变形随着制作条件和制作方式而变化。
残余应力并不是等双轴应力。
事实证明，在制作细长结构时，分析（仿真）预测起着重要作用，这是由于层间的过度变形会导致无法接受的与预期几何体之间的偏离…”
6 MSC软件增材制造技术解决方案 图9：增材制造点对点分析框架 MSC软件公司的增材制造分析框架展示出具备下列能力：•管理生命周期各个阶段所有的客户功能需求；•存储所有的仿真流程及数据（模型及结果）；•所有材料属性、工艺及设备、加工/制作信息的中心数据库；•存储与增材制造部件有关的各种类型的试验及质量控制信息；•将优化出的优质形态传回CAD软件进行几何处理，从而实现最终的制 造；•将所有的报告存档。
图9给出了点对点增材制造仿真框架的工作流程。
对增材制造工艺进行建模需要各种仿真能力，以应对热源形态、流体流动、微观结构相变、残余应力，以及变形、优化形态等。
在增材制造工艺仿真中，工程师/设计师可以处理直径10至25微米级别的颗粒、长40至80mm的物体以及长达一千米的激光路径。
尽管热源只保持数微秒的接触时间，但整个制作过程有可能历时数天。
可将框架内仿真工具包（解决方案集）的全部能力细分为两个类别：
1.增材制造打印之前•搜索数千种材料及相关属性的数据库，选择能达到最优设计的材料类 型。
•采集并存储用于下一次打印的材料。
•对制造方法、能量输入、速度、材料沉积、打印路径、热处理、微观 结构、残余应力及机械性能进行仿真。
•部件设计的自动优化，其中包括考虑制造的性能及重量。
•对打印机参数进行优化，用于重复生产。
2.增材制造打印之后•对输出进行分析，以便更加透彻地了解哪些参数导致最终变 形。
•研究灵敏度矩阵并优化参数，以提高未来制作的选择标准。
•预测产品性能、韧性及寿命。
增材制造框架分析组件 MSC软件公司的框架由一组仿真工具组成，是下一代的企业级可扩展系统。
基于网络的直观界面使工程部门能够对材料或部件/机器/工艺/增材制造行为进行虚拟化。
该框架可为指定部门的各个相关方提供精确的信息传输。
框架/工具的重要元素说明如下：
1.流程与数据管理：SimManager与MaterialCenter
A.SimManager该系统是一种仿真流程与数据管理系统（SPDM），集成了客户应用、商业工具以及内部开发的程序。
它拥有可靠的跟踪记录，每天可管理数百个并发用户运行的数千个仿真及操作。
不仅能在企业内部的所有信息孤岛之间安全地共享信息，还能在整个产品生命周期阶段将信息进一步扩展至供应链网络。
图10（a）：仿真流程与数据的管理 图10（b）：跟踪所有变量的目标和要求 图10（c）：两组材料之间的差异
7 MSC软件增材制造技术解决方案 图10（a）所示为对虚拟域中的仿真流程及3D增材制造部件数据的管理。
图10（b）所示为跟踪所有变量的目标及要求。
图10（c）所示为两组材料之间的差异。
B.MaterialCenterMaterialCenter是面向现在和将来材料数据及过程管理需求的完整解决方案。
它能管理从实物试验到各种设计许用值的整个材料流程（整体工艺管理、自动可追溯性、强大的工作流以及批准流程等）。
图11（a）给出了MaterialCenter的工作流程。
8.生成打印设备鉴定方案和控制库；
9.通过集成的有限元分析解算器（MSCDigimat）对材料属性进行逆向工程 分析；10.利用所有的存储数据来指导即将进行的研发工作以及未来的方法开发。
工程师的任务 待测试 材料测试 已测试 上游工程应用 任务自动管理 流程管理从客户需求到”增材制造”实施 图12：MaterialCenter中的增材制造工作流程管理 图11（a）：MaterialCenter工作流程 MaterialCenter 可通过MaterialCenter实现标准的增材制造工作流程（从客户需求导入到管理所有任务均为自动模式，最终将报告反馈给客户）。
据行业客户报告称，在利用MaterialCenter来管理增材制造流程时，投资回报率（ROI）可超过40%。
图12所示为MaterialCenter环境中的增材制造工作流程管理。
MaterialCenter的增材制造示意图源自在宾夕法尼亚州立大学和美国军方所进行的多年合作研究。
其中包括金属/非金属/塑料的增材制造过程。
可将该系统当作制造属性/打印设备以及流程鉴定参数的资料库。
增材制造 下一代材料生命周期管理系统 内置模板可构建或导入材料/打印设备/工艺/试验数据。
可利用Excel集成来映射并导入用于增材制造及各种试验方法的定制模板。
例如： •增材制造电子束沉积(送粉/送丝)； •增材制造定向激光束沉积(送粉/送丝)； •增材制造粉床熔融(铺粉)； •增材制造熔融沉积造型； •各种拉伸试验（断裂韧度K1C）； 图11（b）：下一代材料生命周期管理系统的生态系统和集成接触点 MaterialCenter在设计上还能通过采用ICME（集成计算材料工程）和虚拟许用值来应对下一代需求。
系统内置有2500种材料及其相关属性的数据库。
数据库中有10%的材料为塑料。
图11（b）所示为MaterialCenter的生态系统。
•各种硬度试验（夏氏冲击）。
图13所示为基于激光粉床熔融(铺粉)模板示例。
它能自动采集结果用于对比、置信度评估及认证——这些结果在MaterialCenter有完整的可追溯性，将增材制造带入了新的高度。
它还提供了全面的工作流程工具，能够采集从概念设计到最终构建阶段的每一步制造流程中的信息。
这种基于网络的高级工具拥有以下优势：
1.从客户到工程/制造的工作流程管理；
2.CAD/STL信息数据库；
3.所有的环境/制造条件记录；
4.所有的打印设备/工艺/构建参数资料库；
5.样品统计分析，对打印设备/工艺参数进行“假设”研究；
6.材料/打印设备/工艺/样机构建及试验操作的谱系信息；
7.开发预测部件行为的模型，以便量化部件性能（刚度、强度及寿命）； 图13：MaterialCenter中的增材制造(激光粉床熔融模板示例)工作流程管理
8 MSC软件增材制造技术解决方案 MaterialCenter内置的分析器会进行各种形式的统计分析，使打印设备/过程鉴定更加完善。
图14（a）和图14（b）示意了对增材制造数据的追踪分析及后处理。
以下列出了其中的一部分分析功能:
1.计算平均质量、厚度、峰值负载、峰值应力、断裂应变及模量；
2.A中列出了所有参数的标准偏差；
3.生成特性曲线： 峰值负载与充填百分比峰值应力与充填百分比模量与充填百分比峰值应力与质量
4.动态数据分析流程减少了的步骤；
5.序列过程自动化；
6.可通过Python、JAVA、MATLAB或第三方CAE软件对自定义归算法 进行集成。
微结构仿真软件 PCL文件 MSCPatran前处理 MSCPatran后处理 图15：微观结构建模及分析流程 图14（a）：MaterialCenter中的数据分析/后处理 MaterialCenter
3.MSC分析工具：SimufactAdditive、SimufactWelding、Digimat、Marc、Nastran及Fatigue 可利用MSC的分析工具（SimufactAdditive、SimufactWelding、Marc、Digimat、Nastran及Fatigue）在3D增材制造部件的各个生命周期阶段（从概念到维护）进行各种形式的仿真工作。
通过一系列的仿真及“假设”研究得到最优的设计形状及尺寸，并将信息传回CAD系统进行后续处理。
下文给出了上述各软件的具体应用。
A.SimufactAdditive、SimufactWelding: Simufact系列产品是MSC软件公司用于金属工艺制造领域的仿真分析旗舰产品。
它能仿真金属增材制造过程中的虚拟制造工艺。
基于阶段性模型提供多尺度方法，同时考虑到柔性材料的数据结构。
它充分利用了Marc的求解器的先进技术，并可为建模、求解及结果查看提供统一的平台。
图16（a）和（b）详细说明了业内广泛使用的增材制造工艺以及SimufactAdditive、SimufactWelding的主要应用。
图16（c）给出了粉床熔融室示意图。
广泛使用的增材制造工艺… 分析脚本 图14（b）：MaterialCenter的增材制造材料/机器设备/工艺数据统计分析
2.有限元（FE）前\后处理：Patran和MSCApex MSC公司在业内领先的前\后处理器Patran和Apex可读取来自CAD管理专家（例如PDM系统）的3D增材制造部件的CAD数据,并进行有限元网格生成,同时为后续分析对部件/总成进行必要的边界条件处理，对分析结果进行可视化的后处理。
行业合作伙伴所使用的MSCPatran/Nastran工具包，可根据晶粒尺寸、形状、方位、纹理、空洞、晶界缺陷、多相及体积分数等自动生成2D/3D微观结构模型。
该工具包能以较高的精度预测分布在每个晶粒中的微观应力及宏观应变。
图15给出了用于微观结构建模及分析步骤的典型工作流。
图16（a）：广泛使用的增材制造工艺最常见的粉床熔融(铺粉)打印技术… pr 图16（b）：粉床熔融(铺粉)技术
9 MSC软件增材制造技术解决方案 粉末 惰性气体 pr 辊子 能量源（激光） p部r件 粉末室图16（c）：粉床熔融(铺粉打印)示意图 制作室 通常在Patran或Apex环境中对指定的3D增材制造部件（工件）划分网格并进行前处理。
用户在SimufactAdditive、SimufactWelding中将边界条件或工艺、材料参数分配给有限元网格。
此类参数包括： •能量输入（耦合；等效热源）； •打印速度； •材料沉积/融化速率； •打印路径 •粉末特性； •支撑/支持结构； •热处理； •制造方法（通过输入参数间接对应；铺粉/送粉/送丝）。
采用规则的像素(Voxel)网格替代不规则的有限元网格实现网格快速划分能表征任何复杂结构规则的网格结构具有加速潜力 提供多尺度计算方法：微观（类似焊接）等效热源模型完全瞬态热-结构耦合较高的求解精度细观基于固有应变方法或热循环法简化算法宏观层积模型（基于固有应变方法）求解速度极快 图17：SimufactAdditive采用的多尺度算法 根据所需的结果，SimufactAdditive提供了多种计算方法可供选择。
包括基于固有应变方法的宏观算法用于快速仿真，以预测整体变形及残余应力。
微观级别的详细研究是包含移动热源和金相模型的瞬态热-结构耦合仿真。
SimufactAdditive在同一环境中将所有的仿真方法无缝地整合在一起，不同方法可以进行交替互换，无需针对不同计算方法切换到不同的界面或模块中进行重新建模。
典型的解算方法如图17所示。
SimufactAdditive仿真的目标结果如下：•制作过程中的变形及残余应力；•微观结构（金相和晶粒尺寸）； •支撑/支持结构的位置及强度/刚度；•失效模式预测；•支撑结构不足；•裂纹萌生/裂纹扩展高风险区；•制造后的最终形状。
最近，SimufactAdditive被领先的增材制造厂商用于航空航天部件的增材制造仿真。
在2016年3月于德国柏林召开的DDMC会议中给出了对应的仿真流程及结果。
图18（a）和（b）展示了其中的亮点部分。
展示于2016年3月16-17日在柏林举行的FraunhoferDDMC即2016—直接数字化制造会议 几何及尺寸 高度：64.5mm 宽度：65.0mm 长度：160.8mm 切断基板，由残余应力释放变形 实测3D打印后部件最 大变形量为2.28mm 图18（a）：SimufactAdditive模拟增材制造过程的亮点 将固有应变（来自悬臂梁结构实测结果）应用到更大、更复杂的结构上 单元尺寸为1.0mm70+1个增量步 计算时间≈40分钟（IntelXeon3.2GHz，八核）确定优化潜力，假定加速系数为2-5采集常规变形模式 仿真预测的最大变形量为2.00mm误差为正常数量级 图18（b）：SimufactAdditive模拟增材制造过程的亮点 SimufactAdditive、SimufactWelding配备有业界领先的常用增材制造材料（内置）数据库。
其中一些金属材料如下：
1.钛合金（TiAl6V4、TiAl6Nb7及纯钛）；
2.钴铬合金类（CoCrMo）；
3.镍合金（Inconel625、718、939）及哈氏合金X（Hastalloy）；
4.铝合金（AlSi10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlSi9Cu3）；
5.钢类（1.2709、17-4PH、15-5PH、316L）。
B.Digimat: MSC软件公司的e-Xstream工程团队在Digimat软件包中开发的仿真工具可用于两种特定的塑料增材制造应用： 10 MSC软件增材制造技术解决方案
1.选择性激光烧结（SLS）；
2.熔融沉积建模（FDM）——如图19（a）所示。
•加速性（DDM、性能）；•直接的层及单元激活(生死单元技术)；•直接激光扫描路径设置及参数设置；•温度相关的热-结构耦合能力及塑性模型；•瞬态的热-结构耦合分析。
最近，Marc对德国不来梅大学的(航空航天用)钛结构增材制造的热结构行为进行了仿真。
研究团队的主要关注点是研究增材制造过程中的热传递以及残余应力的分布和大小。
该团队在图20（a）、（b）和（c）中给出了其假设条件/预测结果。
Thermo-mechanicalSimulationofAdditiveLayerManufactureingofTitaniumAerospaceStructures，
N.Keller，
F.Neugebauer，2014 不莱梅大学集成仿真、材料与工艺工程空客公司首席教授 •选择性激光熔融•系列微观增材制造工艺•结构化六面体网格 图19（a）：采用FDM技术打印角型增材制造部件时的温度场 全球先进聚合物解决方案领军厂商Solvay公司已在Polimotor2项目中成功地应用了Digimat的增材制造仿真工具。
该项目旨在用塑料材料替换Polimotor2发动机中多达十个金属部件，为实现汽车领域的技术性突破开辟道路。
采用以40%玻璃珠加载进行强化的SinterlineTechnyl尼龙6（PA6）粉末等级，通过选择性激光烧结（SLS）来生产增材制造部件（腔室）。
使用Digimat对多尺度热结构材料的增强塑料进行建模，然后对分层增材制造进行分析。
将静态工作负载边界条件应用到组件上。
分析计算预测出轻度变形以及最大可承受压力9.1bar。
此外还对打印方向进行了优化，由此最多可增加40%的负载而无需对几何进行调整。
图19（b）所示为部件、变形及临界失效点。
图2：拓扑优化后的支架有限元分层网格图20（a）：Marc中的热-结构耦合仿真 热流输入 固有应变方法 图19（b）：采用Sinterline打印Polymotor2 Digimat配备有10,000多种材料（增强塑料）属性及微机械分析特征的大型数据库。
这是基于多年的经验积累、实验室协作试验以及由公开渠道获得的认证过/验证过的数据。
C.Marc: 出于多种原因，有限元分析师采用Marc非线性算法来研究增材制造工艺。
其中的原因有：•处理非线性制造工艺的超强能力； 固定位移约束 图20（b）：Marc仿真中的边界条件Marc的最新应用包括对增材制造部件的切削加工和表面处理进行仿真。
D.MSCNastran和Fatigue： 11 MSC软件增材制造技术解决方案 ALM工艺后 铣削处理之后 图20（c）：由Marc仿真模型预测的残余应力 当周期性循环应力出现在增材制造部件的潜在裂纹萌生部位时，应力历程就显得至关重要。
它可以是材料中的任何缺陷或孔洞，或者是由增材制造工艺所导致。
在部件的使用寿命期间损伤会累积。
如果损伤增长至超过临界极限，就会萌生裂纹并将使用寿命缩至最短。
通常在远低于强度极限处可观察到疲劳裂纹。
可将疲劳加载下增材制造部件的使用寿命分为下列两个领域：
1.裂纹萌生
2.疲劳裂纹扩展 下图21（a）所示为典型的周期性应力变化。
应力幅值围绕平均应力振荡。
在相邻峰值间隔对应应力周期。
应力周期的数量以及应力幅值决定了结构的疲劳寿命。
应力范围幅值 图21（c）：增材制造部件样品的疲劳寿命延长 可使用MSCFatigue研究增材制造部件的下列疲劳问题：
1.高周（S-N）与低周（E-N）疲劳寿命；
2.采用Palmgren-Miner法则进行变形和损伤分析；
3.采用Paris定律的裂纹萌生及裂纹扩展；
4.用虚拟应变片进行试验-解析比对；
5.采用随机载荷的振动疲劳；
6.非比例多轴应力状态评估；
7.多个并发载荷及多次事件；
8.安全因子分析。
最近对采用增材制造加工的汽车动力传动系组件样品进行了在随机振动载荷下的疲劳寿命计算验证，其结果如下图22（a）、（b）、（c）及（d）所示。
时间（秒） 图21（a）：典型负载应力历程 通过采用裂纹生长抑制方法可延长使用寿命。
有时可通过制作缺口截面来延长总使用寿命。
通过改变缺口的尺寸、形式、位置及缺口方向来改变应力分布，从而延长疲劳寿命。
德国帕德博恩大学的HansAlbertRichard博士及其研究团队于2015年指出，“在裂纹萌生阶段内，大幅提高负载周期数量（与裂纹扩展阶段的周期数量相比）可延长使用寿命。
” Richard博士及其团队针对增材制造部件样品进行了裂纹萌生/裂纹扩展研究，并在图21（b）和（c）中总结了其设计推导结果。
图22（a）：对承受多种输入(随机振动载荷)的增材制造部件的疲劳寿命预测 图21（b）：改变缺口位置、形式及缺口方向控制疲劳寿命 图22（b）：未做UTS修正的应力寿命预测12 MSC软件增材制造技术解决方案 最近，MSCNastran被用于对钛合金材料的航空航天发动机连接接头增材制造部件进行线性静态及屈曲行为的仿真和拓扑优化。
MSCNastranSOL200拓扑优化可将增材制造部件的重量降低70%，同时保持与初始设计相同的静态（应力和变形）及屈曲表现。
图23所示为初始设计及优化设计。
结束语 生成表格并绘制二维、三维结果图 在过去25年间，增材制造已从快速样机处理成长为一系列先进技术，为全球越来越多的企业、政府机构及个人客户所采用。
但它在制作优质部件时始终面临着难题，对此可借助一些商业系统来辅助解决所有的缺陷。
MSC软件公司的增材制造点对点仿真框架已成为解决增材制造难题的“中坚力量”。
该系统不仅能应用于增材制造产品整个开发生命周期（设计、开发、仿真/样机构建、试验及售后性能）的各个阶段，还涵盖了从概念到维护过程中涉及的全部材料/机器设备/工艺/制作鉴定。
图24概述了该分析框架中增材制造从部件设计到部件性能分析的各个阶段。
图22（c）和（d）：多种加载条件下周期直方图分布的预测 作为小总成或大总成的一部分，任何给定的增材制造部件在经过一段时间后都有可能存在配合/光洁度、公差及功能性能问题。
有限元分析师可对所有此类问题进行仿真，并使用MSC软件公司赫赫有名的分析工具包MSCNastran预测给定增材制造部件的耐用性和噪声、振动及声振粗糙度。
可将其用于下列仿真：
1.高VonMises应力区及最大变形区；
2.增材制造部件及总成的噪声与振动效应；
3.出现屈曲的区域；
4.拓扑、尺寸和形貌优化。
3D增材制造部件CAD设计 3D增材制造部件有限元网格 图24：分析框架中的增材制造各个阶段 3D增材制造部件性能 图23:航空航天用钛合金增材制造部件的初始设计与优化设计（重量减轻70%） 13 MSC软件增材制造技术解决方案 关于MSC软件公司 MSC软件公司是全球多学科仿真解决方案的领导者，可帮助众多公司改进质量、节省时间，同时降低与设计、测试所制造产品有关的成本。
MSC软件公司与世界各地的数千家公司合作，利用工程仿真技术、软件及服务更快、更好地开发产品。
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