2021年，在一场3D打印会议上，多位专家强调了3D打印软件的重要性，并指出中国在3D软件方面的欠缺。随后，南极熊去调研了多家国外内的3D打印软件相关公司。
南极熊觉得有必要撰写一份3D打印软件专题报告，希望能够体现出3D软件在3D打印产业链中的重要性，引起更多读者对3D软件的重视，充分发挥出3D软件的价值。也希望读者能够在这份报告中找到适合自己的软件。同时，3D软件开发企业能够得到更多资本的助力，推动3D软件的成熟和普及。
这份专题报告中所介绍的3D软件包括：3D设计软件、3D数据处理软件、3D打印机控制软件、3D仿真软件、计算软件、云平台等等。
下面是专题中《3D打印仿真、拓扑优化软件》部分。包括Altair Inspire、SolidWorks Simulation、Ansys、AMProSim-DED、Lattice Simulation、TOSCA Structure、Toptimizer、ParaMatters、nTopology、Ameba、GENESIS、Generate、Isight等
Altair Inspire™
Altair Inspire™能够对增材制造产品进行静力学和动力学的拓扑优化和仿真从而实现轻量化设计，优化结果的快速自动几何重构。针对3D打印的点阵结构生成（基于性能的填充和单胞结构均匀填充）。
Altair Inspire Print3D可用于实现选择性激光熔融 (SLM) 部件的设计和过程仿真。
Altair Inspire Cast可满足从产品设计师到铸造工程师在内的各类用户的需求。从早期设计阶段开始，用户即可直观地发现各类典型铸造缺陷，如裹气、缩松、冷隔、模具性能下降等；还可纠正这些缺陷，从而避免高昂的下游修正成本。导向性工艺模板提供了 5 个简单的步骤，用于仿真金属芯重力铸造、砂芯重力铸造、熔模铸造、高压铸造、低压铸造和倾斜浇注工艺。Altair Inspire Cast 的创新体验让用户可以提升产品质量，并在经过简单地培训后即可设计出更好的产品。
Altair Inspire™系列产品覆盖整个增材制造从设计到工艺制造完整开发流程的各个方面，通过仿真驱动设计制造的方式提升增材制造的产品能级与工艺可靠性。
Altair Inspire能够进行静力学和动力学的拓扑优化设计，点阵结构的生成，针对拓扑优化结果快速、高质量地生成可用于打印生产的几何模型。
Altair Inspire Print3D的仿真结果覆盖打印过程，基板切除，冷却与回弹整个过程。能够查看和动画显示包括应力，位移，热等多种结果。
Altair Inspire Cast 从早期设计阶段开始，用户即可直观地发现各类典型铸造缺陷，如裹气、缩松、冷隔、模具性能下降等；还可纠正这些缺陷，从而避免高昂的下游修正成本。
代表客户及案例
法国航空供应商SOGECLAIR 公司使用粉末粘结结合铸造的增材制造技术生产飞机舱门，使用 Altair Inspire 进行拓扑优化，Altair OptiStruct 进行有限元分析，Altair软件产品的高效和精确使得最终的产品重量大幅减轻、降低了成本，极大地缩短了产品的开发周期。
3i-PRINT项目联合Altair在内的六家公司，借助大众Caddy概念车，演示增材制造技术的可行性，Altair提供软件方案，用于汽车前舱机构件的设计、优化、模拟及研发工作。在成功完成该概念产品的模拟及设计后，APWORKS负责确定该3D打印结构件的最终尺寸。
M&H CNC-TECHNIK GmbH公司使用Inspire Print3D 进行打印过程仿真、Inspire Print3D 大大增强了制造前评估设计和客户零件的能力，对打印过程中出现的任何问题能够做出相应的反应。对于企业来说第一次就能正确制造出独特的零件是一种竞争优势。
Altair Inspire 官方链接：https://www.altair.com/Inspire/
Ansys
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD，computer Aided design）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN、Algor、I－DEAS、AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。
Ansys 官方链接：https://www.ansys.com/
AMProSim-DED
AMProSim-DED是安世亚太与中科煜宸联合开发的面向金属增材制造定向能量沉积工艺（DED）的专业工艺仿真系统。本系统基于ANSYS求解器，考虑温度相关的材料非线性属性，基于工艺文件的运动路径信息，模拟增材工艺的材料堆积过程，可以详细模拟零件分区、打印路径以及熔融冷却的相变过程对增材制造过程的影响，预测增材制造过程中的温度、应力和变形，优化工艺参数，从而保证打印质量和打印效率，避免低效的试错过程。
增材工艺仿真分析系统AMProSim-DED提供增材工艺、热处理工艺仿真的相关分析功能：
（1）可模拟增材制造工艺、热处理工艺过程，获得其温度、变形以及应力的分布；
（2）解读路径文件，提供路径规划软件数据接口，可以将打印程序的控制指令信息转换为仿真可以读取的路径数据表，直接考虑扫描路径进行增材工艺仿真；
（3）系统内置10种材料，如17-4PH、316L、304、In627、In718、TC4、TC11、TA15、AlSi10Mg、 AlSi7Mg等，并支持自定义，考虑温度相关的材料热学、力学属性；
（4）瞬态热分析：根据扫描路径的材料堆积过程，模拟在热源作用下材料的熔凝过程，来计算制件在增材制造过程中随时间变化的热传递行为；
（5）应力分析：考虑材料的非线性行为以及基板实际约束条件，通过热应力耦合分析来进行增材制造过程的变形以及应力分析。
增材工艺仿真分析系统AMProSim-DED的优势体现在：
1)采用模块化布局设计、向导式应用流程，操作界面简洁易用，可面向非仿真专业人员进行增材工艺过程的仿真分析；
2)可以详细考虑增材工艺参数；
3)解读路径文件，提供路径规划软件数据接口，直接考虑扫描路径进行增材工艺仿真；
4)考虑熔凝相变物理过程以及工艺环境，计算增材工艺过程瞬态温度场；
5)考虑材料的非线性行为以及基板实际约束条件，计算打印过程变形应力应变，实现控形仿真；
6)可模拟热处理过程，包括温度场和变形应力；
7)计算效率高，可适用与实际大件的计算。
Lattice Simulation点阵结构分析
Lattice Simulation是安世亚太自主研发的一款用于增材点阵结构分析的工具，具有用户自定义和内置点阵结构设计两种方式，已集成在ANSYS add-in扩展工具中。基于多尺度算法，用户可以采用等效均质化技术对点阵结构进行有限元分析。并且提取非均质化点阵结构的等效材料参数，在均质化等效实体模型宏观力学分析后，可以通过局部分析对胞元结构进行详细的应力校核。
图1 点阵结构分析工具功能
图2 Workbench点阵结构模块分析流程
Lattice Simulation提供增材点阵结构在有限元仿真中涉及的相关分析功能：
（1）均质化分析。基于胞元结构类型及在空间上的周期排列特性，进行均质化计算，提取等效实体的材料力学特性。
（2）宏观分析。采用均质化分析得到的等效材料数据，并对等效实体点阵结构进行力学分析，校核点阵结构刚度性能。
（3）细观校核。考虑胞元外部边界条件（采用应变加载），对其进行详细的应力分析，校核点阵胞元结构强度性能。
图3 多尺度算法原理图
图4 多尺度分析流程图
TOSCA软件
TOSCA Structure是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构优化设计软件系统，目前已被广泛应用于汽车、航空、机械制造、加工工业等众多领域，并被奥迪、宝马等世界知名公司所采用，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。
OSCA Structure 是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状和加强筋优化。在优化过程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，通过采用众多业界认可的优化器进行优化求解，保证了优化结果的高质量。 这样做的另一大优点是用户可以在自己熟悉的求解器以及前后处理环境下工作，而不需培训来熟悉另外一个陌生的软件环境。通过 TOSCA Structure内部各程序的相互作用可以完成新产品结构在CAD/CAE系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。
TOSCA Strcuture 结构优化系统由Topology，Shape，Bead，Smooth，Gui等几个主要的模块组成。
TOSCA Strcuture 官方链接：https://www.3ds.com/products-ser ... cts/tosca/structure
Toptimizer
Toptimizer是一款通过Web浏览器在线使用的结构拓扑优化软件，可帮助用户快速开发创新型、轻量化且结构高效型设计。
Toptimizer简单易用，没有拓扑优化经验的用户也可以快速掌握，快速地完成结构拓扑优化。
Simright Toptimizer主要特性
1、基于Web浏览器，可随时随地使用，无需安装软件；
2、简单易用，适用于CAE初学者及高级用户，几分钟就可以掌握，5分钟即可完成一次拓扑优化计算；
3、强大的自动化网格划分功能；
4、拓扑优化结果支持光顺化和导出STL格式。
Simright Toptimizer支持的格式
STEP (.step, .stp) (recommended)、IGES (.iges, .igs)、ACIS (.sat)、Parasolid (.x_t, .x_b)、SolidWorks (.SLDPRT)、CATIA (.catpart)、CREO/PROE/UG (.prt)、INVENTOR (.ipt)、JT (.jt)、Rhino (.3dm)。
Simright Toptimizer 官方链接：https://www.simright.com/apps/simright-toptimizer
ParaMatters
美国ParaMatters是一家用于创成式设计，自动拓扑优化，零件整合和轻量化的软件供应商。Paramatters的人工智能驱动的软件提供了业界最好的性能和轻量化结果，在数分钟/小时内获得可制造的设计，而不是数周/数月。
无限制的创成式设计解决方案，可以适用于增材制造和传统制造。
增材制造工艺包括：
- FDM/FFF（考虑各向异性的刚度和强度）
- SLS/MJF/DMLS/SAF（考虑各向同性的刚度和各向异性的强度）
- SLA/DLP (考虑各向同性的刚度和强度)
- 多材料设计
- 传统制造工艺包括：
- 压铸和熔模铸造
- 注塑成形
- 数控铣削（3轴和5轴）
- 挤出成形
ParaMatters 官方链接：https://paramatters.com/
nTopology
nTopology是Stratasys旗下的新一代的设计和工程软件。这一工具有助于提高现代工厂的生产率。您可以自动化设计的 3D 打印工装夹具，以简化您在设计阶段的时间投入，同时可以利用DFAM原理，在材料成本和工程时间方面取得节省。通过这个工具，生成定制的工装夹具仅需要简单的几次鼠标点击。
nTopology 官方链接：https://ntopology.com/
Ameba
谢亿民院士领导的中国团队——谢亿民科技，根据他提出的双向渐进结构优化法（BESO），研发了基于该算法的拓扑优化设计软件Ameba。用户可根据设计需要，对初始设计区域施加力学等边界条件，通过软件计算进行优化，求解时设计区域会像变形虫那样进化成各种形状，最终获得传力合理且仿生的形态。Ameba获得2020全球数字未来大会“最具影响力的数字工具年度奖”(“The Most Influential Digital Tool of the Year”)。
Ameba基于双向渐进结构优化法（BESO）理论，不仅可以删除低效单元，同时可以在材料“高效能”（如材料应力较高）区域增加单元，这种即可删减又可添加单元的策略使得渐进优化法的优化能力变得更强。
Ameba致力于成为工程设计领域的优质生产力工具，团队将为大部分CAD平台进行适配，让用户从设计到仿真优化良好体验。目前Ameba在创作更为自由的Rhino平台已推出了V2.0更新版本。
Ameba采用云计算服务。开发团队在服务器集群部署高性能并行计算程序，用户可以即时获得优化结果，当计算规模较大时，整个计算过程尽管时间较长，但不会影响到用户本地计算机，并且计算文件均为自动回传至本地，与Rhino进程分离，保证服务的稳定性。
Ameba拥有强大的网格优化功能。Ameba不仅具有拓扑优化功能，还有强大的网格优化功能。它可以将任意相交的几何体优化成一个有机的网格模型，可以将杂乱无章拓扑结构的网格优化成均匀的纯四边形网格或纯三角形网格。
拓扑优化的结果非常适合3D打印，在没有工艺约束的情况下，3D打印是比较好的选择。
Ameba 官方链接：http://ameba.xieym.com
MSC /Hexagon Simufact Additive
凭借独特的模拟、仿真优化解决方案引领增材制造市场。
Simufact 是一款强大的金属塑性成形、焊接、热处理工艺仿真平台，可以实现锻造焊接热处理全工艺链仿真，在汽车行业工艺链仿真领域获得广泛应用。
Simufact 在汽车行业主要应用于多工步锻压工艺链仿真、冲压 ←→ 焊接工艺链仿真、铆接 → 机械性能（剪切、拉伸）工艺链仿真等金属成形 → 组装焊接工艺链仿真。
Simufact 解决方案拥有 3 条产品线：Simufact Forming、Simufact Welding 和 Simufact Additive，可提供金属成形及机械连接、焊接、增材制造工艺过程仿真分析解决方案。
专为金属增材制造工艺开发的仿真软件“Simufact Additive”，除了可对造型中的热变形实施预测仿真以外，还具备与从打印床切断部件、去除支撑结构、热等静压(HIP)等工艺有关的功能。凭借这些功能，在生产阶段便无需反复尝试，可高效率实施造型，节省时间和成本。另外，MSC公司成今后还将为该软件配备热-结构耦合分析、温度履历管理、基于拓扑学优化的造型形状设计、支撑材料设计等功能模块。
仿真示例，切断支撑部后支架的变形 。
3D打印机在产品开发中运用得越来越多，但同时也存在故障导致造型中断、无法按照CAD给出的形状实施造型等问题。因此，MSC开始提供使用仿真技术来设计造型形状及支撑结构的解决方案，为解决这些问题提供支援。
https://www.mscsoftware.com/zh-h ... itive-manufacturing
南极熊网站https://www.nanjixiong.com
全球3D打印产品库：https://product.nanjixiong.com/
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