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材料的世界:改变一切

—— 第五届CIMdata PLM市场和产业发展论坛综述

2016/5/2    来源:e-works    e-works:赵栋      
关键字:CIMdata  PLM市场  新材料  
2016年4月15日,由数字化企业网(e-works)与国际知名PLM研究机构CIMdata联合举办的“CIMdata 2016 PLM市场和产业发展论坛(中国站)”在上海成功举办。CIMdata详细分析对PLM市场的现状和未来趋势的看法,并公布CIMdata对2015年PLM市场的研究结果。
五、新材料的设计和仿真需求——开启产品开发新流程

     虽然包括3D打印在内的增材制造逐渐兴起,但是从设计空间、有限元分析、拓扑优化再到3D打印这整个增材制造工作流程中仍然存在许多问题,比如众多下游流程所需的高精度CAD模型在哪里?如何确定3D打印的最佳方向?不同材料特性是如何表述和分析?拓扑优化后,转换为CAD格式也会遭遇困难,工程师将优化后的文件转换为CAD格式会耗费大量的时间,这些都是有待解决的新问题。

 增材制造工作流程 
增材制造工作流程

     在民用、化工、建筑、核电、航空、农业、机械、生物医药、电气工程等各行业,新材料通常是开启新技术之门的钥匙。经验表明,材料的所有有用属性与其各个层面的结构紧密相关,包括原子的类型、连接方式、以及整个材料结构中原子团的排列方式。关于材料原子结构、纳米结构、微观结构、宏观结构的科学和研究正在急剧增长,对混合材料、复合材料的设计也在不断拓展产品的质量和功能。

     在新材料造型设计中需要解决的问题包括如何在几何中表述材料,并将其图形化?如何处理材料特性的多样化?如何为增材制造的对象设计造型?目前有两种备选解决方法,第一种无需单独的CAD工具,从优化直接到3D打印,但是该如何将组件整合到完整的CAD产品模型中,供所有下游流程使用以及如何控制公差还需要进一步考虑。第二种方法是使用体素来表达,在20世纪80年代,实体建模技术发展的初期,体素方法曾经与精确几何造型相互竞争,后来消失了,现在的问题是是否需要将其与精确几何进行整合。

     对于材料造型设计中的几何表述图形化,从游戏产业获得的经验是体素方法和网格方法各有优劣。体素方法能有效存储连续的数据,易于修改,而且可以创建高级地形特征,但是渲染速度缓慢,需要巨大存储。网格方法的优势是着色处理非常快,基于坐标的精确存储,也可以创建高级特征,但是动态细节层次低,难以修改,碰撞检测速度比其它方法慢。

     因此对于新材料的设计,增材制造和材料工程正在影响着传统的产品造型流程,拓扑优化和3D打印流程引发了新的CAD造型问题,包括几何表述、不同材料特性表述、3D打印和支撑的产品定位,关于增材制造和拓扑优化CAD流程的问题还未完全解决。

     根据摩尔定律,过去50年里,计算机的计算能力每18个月提升一倍。未来十年计算机速度将提升100倍,而且价格更加便宜,人力成本却会翻倍,我们必须意识到这一规律制并定相应计划。

     材料特性、测试方法、围绕仿真的优化以及增材制造都是改变产品开发的因素。仿真更早介入流程来驱动产品开发也从本质上改变了产品工程,仿真通常比物理样机更加快速和可靠,在系统工程“V”型曲线左侧,产品工程涉及到复杂的多学科权衡,优化和鲁棒性设计方法正在更加广泛地使用,企业正越来越多地基于仿真进行产品设计和开发决策。

 系统工程“V”型曲线 
系统工程“V”型曲线

     在系统工程“V”型曲线右侧,仿真用于集成和确认、模拟物理测试,这一点非常重要,但未在企业中形成常规。在系统工程“V”型曲线左侧,仿真用于驱动设计,在对详细的CAD组件进行设计之前,仿真就要用于定义产品架构,我们需要面向仿真的几何形状和面向仿真的设计。

     对于新材料的仿真,目前存在的问题是工具需要更加精细化,以适应材料、结构(晶格状、泡沫状、蜂窝状)和制造方法等方面的新技术,仿真与测试的协作,仿真软件往往太难使用。

     以上提出的新材料设计和仿真的需求,也为PLM厂商带来了商业机遇。PLM软件供应商引入拓扑优化解决方案时,应着重于易用性,拓展几何造型能力,需要包括多边形网格、晶格,可能还包括体素,与精确的几何形状结合。PLM服务提供商为增材制造流程和拓扑优化提供打包的解决方案和工作流程提供相关专业知识和客户支持。

责任编辑:赵栋
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