复杂金属3D打印的最大障碍不是金属或3D打印机

魔猴君  知识堂   226天前

当瓦锡兰海洋公司增材制造高级专家Francesco Trevisan着手设计完美的船用发动机气缸盖时，他选择使用金属3D打印技术进行设计，使其重量更轻、性能更佳。该技术使他能够创建复杂的晶格结构、节省材料的有机形状，并将多部分组件整合为一个单元。

经过大量的设计工作和虚拟模拟，它已近乎完美。与传统制造的原始设计相比，它轻了60%。它将多达十个子系统集成到最终组件中，降低了装配复杂性并提高了冷却性能。这是一种创新设计，将进一步推动Wärtsilä实现碳中和航运和能源生产的目标，

但是这根本就不可能实现。

瓦锡兰nTop气缸盖设计（来源：nTop）

障碍不在于设计的完整性，也不在于大型激光粉末床熔融3D打印机的性能。也不在于金属粉末，而是问题在于数字部件的文件大小。

但现在，软件公司nTop和Materialise Magics之间的新合作提供了一种解决方案，可以将部件的文件大小减少约90%。这一进展不仅将使Wärtsilä能够生产其大型气缸盖，还可能加速金属3D打印在几乎所有行业的应用。

复杂金属增材制造的设计瓶颈

Wärtsilä计划使用尼康SLM激光粉末床融合3D打印机（例如这款600E版）来3D打印其船用发动机气缸盖（来源：尼康SLM）

此前，Trevisan的复杂发动机部件或热交换器设计会产生7到10 GB大小的计算机辅助设计(CAD)文件。具有大量特征（例如极其精细的网格）的CAD模型会扩展当今软件的容量，文件大小和重建时间会随着部件尺寸的增加而呈指数级增长。

然而，这个尺寸约为500 x 500 x 450毫米的船用发动机气缸盖在nTop的“计算设计”软件中针对3D打印进行了优化，这使Trevisan能够添加非常复杂的细节，例如晶格和内部通道，并将各个部分合并为一个部分，而无需数千兆字节的文件。nTop类似于CAD软件，但它在表示零件几何形状的方式上更加复杂，并且文件大小要小得多。

例如，在大多数CAD程序（包括Fusion和Creo）中，零件的几何形状使用“边界表示”（B-reps）表示。我们不会在这里深入探讨B-rep架构的所有复杂性，而是将其视为人类如何感知几何形状；表面、边缘、测量值及其相互关系。当零件变得非常复杂时，这些会占用大量的计算资源和文件空间。

随着对复杂几何图形、拓扑优化和生成设计的需求不断增长，尤其是21世纪初期增材制造的兴起，CAD文件大小开始成为一个问题。大约在这个时候，随着计算能力的提高和实现，一种在CAD软件中表示几何图形的新方法（称为隐式建模）开始受到关注。

隐式建模的力量

nTop软件采用的隐式建模是一种表示零件几何形状的另一种方式。它不明确计算任何边或顶点，而是使用x、y和z的单个数学函数来描述3D实体。换句话说，几何形状由数学表示，该数学定义点是位于形状的内部、外部还是表面上。nTop的首席执行官Bradley Rothenberger表示，这更像是计算机对几何形状的看法。

隐式建模擅长混合或合并复杂几何图形，而无需手动定义过渡或边界，这使其对于需要复杂表面的有机形式和设计特别有用。

生成的文件大小可能不到常规CAD文件大小的十分之一，但精度却一样高。

在nTop中，Trevisan现在有一个气缸盖文件，但无法直接从nTop的.implicit文件进行3D打印；必须将它们转换回更熟悉的基于网格的B-rep模型，才能输入到3D打印文件准备软件Materialise Magics中。这就是该项目面临的重大障碍。

CAD的无网格未来

Materialise Magics文件准备软件中的Wärsilä气缸盖（来源：Materialise）

生成的网格文件太大且难以处理，无法打印。

“Wärtsilä的瓶颈在于网格划分，”Rothenberg说道。“他们无法高效地划分该部件的网格，因为在nTop中划分网格需要花费数小时，而划分网格后，又需要花费数小时甚至一夜的时间才能在Magics中打开，然后又需要数周时间才能切割出气缸盖大小的部件。”

Trevisan表示，在传输或处理文件的任何阶段，系统都极有可能崩溃，这意味着需要重新开始，并导致数周的延迟。过去，他的解决方法包括分割网格或将设计分成几部分。“总是需要妥协，”他说。“我们对网格的细节程度有所限制，因此最终打印出来的细节质量经常会受到影响。”

他需要一种方法将.implicit文件从nTop直接导入Magics，这正是nTop在八月份刚刚宣布的功能。

“与Magics集成后最令人兴奋的方面之一是让客户能够直接从.implicit文件进行3D打印，”Rothenberg说道。“作为隐式文件，从nTop导出的气缸盖只需几秒钟，在Magics中打开只需几分钟，切片只需几个小时。”

Materialise Magics 3D打印套件中的nTop隐式建模API（将于2025年下一次发布Materialise Magics时推出）消除了隐式到网格的转换，这对于大型金属零件来说是一个巨大的障碍。

在SLM NXG 600 3D打印机上打印之前，Materialise Magics文件准备软件中的Wärtsilä气缸盖（来源：Materialise）

到目前为止，Magics并不是nTop的唯一集成。它宣布推出一款适用于EOS 3D打印机的插件，该插件与机器的2023年发布的EOSPrint 2.14构建流程兼容。这基本上实现了与Magics集成相同的功能，但仅限于EOS品牌机器。

“继Magics之后，还有其他插件和构建处理器集成正在开发中，”负责与合作伙伴构建隐性生态系统的nTop高级产品经理Daeho Hong说道。

nTop并不是唯一一家提供隐式建模的软件出版商——Siemens NX和Altair Inspire中也有一些提供该功能的产品——但它是迄今为止走得最远的，这就引出了一个问题：隐式建模是CAD的未来吗？

隐性建模是未来吗？

Autodesk Fusion CAD软件与nTop的集成使设计人员能够将使用隐式建模设计的零件合并到Fusion组件中（来源：nTop）

有了隐式文件，“我们不仅摆脱了STL和网格，还获得了一种更流畅的工作方式，”Trevisan说道。“因此，与STL和网格相比，我认为隐式建模才是未来。”

Fusion CAD软件制造商Autodesk最近推出了与nTop（nTop for Fusion App）的集成，使设计师能够将.implicit文件直接导入多组件产品。上图展示了如何将在nTop中优化的摩托车零件导入此Fusion设计中进行拟合和仿真。

Fusion还拥有一些用于网格化的隐式建模功能，据说它在CAD中还有更大的隐式建模计划。Fusion拥有自己的金属部件构建准备软件，并与Renishaw等3D打印机制造商集成，可直接3D打印.implicit文件，与新的Magics集成相当。

软件制造商Hexagon现在也可以读取nTop的.implicit文件并在其上运行复杂的模拟，而其他模拟软件制造商，包括用于FEA模拟的Intact和用于CFD流动模拟的CloudFluid现在也可以读取.implicit文件。

“这些合作伙伴的有趣之处在于，他们直接从隐式中进行模拟，这意味着非常快速的模拟，”Rothenberg说。“这在早期设计阶段非常有用，因为工程师希望快速评估许多不同的变体并了解它们的相对性能，而无需运行需要网格划分和长时间运行的高精度模拟。通过这种方式，工程师能够非常快速地进行DOE并更快地缩小设计方向。”

但也许与Magics的新集成将进一步推动应用程序的发展，因为Magics是大多数金属激光粉末床融合3D打印机所有者使用的文件准备软件。

“我们相信3D打印的未来在于无缝处理大型和高度复杂的文件，我们与nTop的合作是朝着这个方向迈出的关键一步，”Materialise软件副总裁Udo Eberlein表示。“通过将nTop的隐式建模内核与我们的Magics软件和NxG Build Processor集成，我们显著提高了从设计到制造过程的效率和可靠性。此次合作不仅消除了现有的限制，还加速了创新3D打印应用程序的开发，使工程师能够以前所未有的轻松和速度将他们的高性能设计变为现实。”

实现气缸盖

您可能已经猜到了，Wärtsilä的优化发动机气缸盖是一个示范项目，但具有坚实的战略价值，Trevisan说道。作为发动机中最关键的部件之一（我们说的是大型18缸货船发动机），完整的验证过程可能需要五到十年。因此，该项目的短期目标是进行最艰难的案例研究之一来证明其应用。“然后我们可以将相同的概念应用于发动机的许多不同技术区域，”Trevisan指出。

尽管瓦锡兰已经打印了三个30%大小的原型，但该公司尚未打印全尺寸气缸盖。洪表示，使用尼康SLM NXG 600激光粉末床融合3D打印机，预计打印时间约为10天。打印计划在年底前进行，之后将进行部件检查和验证，并证明部件的性能。

检查阶段将显示部件是否已达到提供更好冷却或更好性能的目标。“它还将显示是否存在一些我们未预见到的隐藏问题，”Trevisan说，“或者是否还有其他优势。”

尽管Wärtsilä3D打印的每个部件并不是都需要像nTop这样的先进设计软件，但Trevisan表示，既然它已经与Magics集成，他打算更频繁地使用它。

 编译整理：ALL3DP