以增材思維為核心的先進設計與智能制造

來源：安世亞太

增材制造是指基于類似數(shù)學微積分的離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅動和計算機自動控制實現(xiàn)精確可控的，逐層增加材料直接制造零件的數(shù)字制造技術。相比減材和等材制造，增材制造無模具、無工裝，但它絕不僅僅是一種新的制造加工工藝方法，而是新一輪科技革命和產業(yè)革命中將會改變人類生產方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術體系。這種顛覆性體現(xiàn)在，除了這種新的制造工藝自身帶來的優(yōu)勢以外，更重要的是，它實現(xiàn)了結構設計、高性能材料制備、復雜構件制造的一體化，并為宏觀上的結構設計和微觀上的材料制備帶來革命性的變化。

增材制造技術背后的增材思維是一場設計的革命，它完全打開了設計枷鎖，DFM（制造）、DFA（裝配）等基于減材制造的傳統(tǒng)設計方法少有用武之地，設計人員可以真正回歸用戶需求，進行面向功能的設計（DFF）或面向增材制造的設計（DFAM），按照價值、功能和能量的觀點，使設計與工藝、設計與制造之間不再是因果與順序關系而是互為激勵的活系統(tǒng)，以效法自然的方式實現(xiàn)大型/超大型構件或結構系統(tǒng)、復雜/超復雜構件或結構系統(tǒng)、多品種小批量個性化產品的低成本創(chuàng)新設計和快速制造，乃至創(chuàng)造超常結構實現(xiàn)超常功能。

安世亞太經過多年基于對系統(tǒng)工程、產品正向設計和仿真分析的實際應用經驗，結合增材行業(yè)應用的深刻題解，脫胎于資源全局優(yōu)化配置的創(chuàng)新商業(yè)模式，提出了基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案，為《中國制造2025》中的設計制造一體化提供可落地實施的解決方案。

1 技術架構   
基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案的技術架構參照了錢學森在系統(tǒng)觀點指導下1980年代初提出的“三個層次一座橋梁”的現(xiàn)代科學學科體系一般框架，包括基礎學科層——系統(tǒng)工程、數(shù)學、物理學、材料學等，信息化使能環(huán)境——面向數(shù)字主線和數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)協(xié)同、基于大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的云制造，技術學科層——TRIZ及技術創(chuàng)新和管理、拓撲優(yōu)化、工程仿真、知識工程，工程技術層——基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產品材料工藝一體化設計方法學、及其流程體系組合配置而成的正向設計咨詢體系、先進制造工藝融合優(yōu)選咨詢體系、先進材料制備研備服務體系，工程實踐層——面向工業(yè)品的解決方案體系（如飛機、航空發(fā)動機、汽車、模具等）、面向產業(yè)鏈的解決方案體系（如創(chuàng)業(yè)者、消費者、高等教育和職業(yè)培訓等公共事業(yè)、文創(chuàng)、建筑等）、面向工業(yè)化和信息化的產品體系（工藝和材料設備、軟件工具和平臺等）,核心內容為：

圖1 基于正向設計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案技術架構

2流程體系   
面向增材制造的設計的總體流程如圖2所示。這一流程涵蓋了產品的需求分析、架構設計、詳細設計等過程。在實際應用時，需要將這一指導性流程與雙V模型的系統(tǒng)工程過程框架進行結合。圖3給出了基于德國標準機械產品系統(tǒng)化設計VDI 2221的面向增材制造的設計流程，可以認為這是圖2按VDI 2221在研發(fā)階段上的具體化。

支撐上述面向增材制造設計頂層流程的是若干專業(yè)化子流程，如基于MBSE的系統(tǒng)建模、拓撲優(yōu)化及仿真和創(chuàng)成設計一體化流程（圖4），面向增材制造的創(chuàng)成設計流程（圖5）等。

圖2 面向增材制造的設計方法的總流程

基于VDI 2221的增材制造設計流程見下圖3：

圖3 基于VDI 2221的增材制造設計流程

正向設計和增材制造結合的解決方案，應用于工程海量數(shù)據(jù)、工業(yè)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等不同種類的數(shù)據(jù)整合、分析、挖掘、展示場景，應用于產品模型數(shù)據(jù)的管理、融合和協(xié)同，應用于知識管理、知識工程、各種專業(yè)數(shù)據(jù)庫/知識庫建設，乃至應用于集團企業(yè)的商業(yè)智能和戰(zhàn)略決策等。

圖4 面向增材制造的云設計制造模式下的數(shù)據(jù)層服務示例

3 成功案例   
1、機器人手臂增材正向設計案例

圖5是機器人手臂拓撲優(yōu)化

增材設計效果以及通過實際增材打印進行試驗的情況見圖6：

圖6 機器人手臂增材設計效果及實際試驗情況

2、分流器封蓋增材正向設計案例

分流器封蓋有相應的設計輸入和要求：

• 載荷：1.5 g加速度，極限載荷1kg
• 目標：精密高剛度放置，降低質量
• 目的：優(yōu)化剛度
  

圖7 分流器封蓋增材正向設計

增材設計效果以及通過實際增材打印進行試驗的情況見圖8：

圖8 分流器封蓋設計效果及實際試驗情況

4 結論
增材制造與傳統(tǒng)制造的關系，可以類比為經典物理和原子物理的關系，增材制造未來的發(fā)展也必定像原子物理、量子物理一樣有著廣闊而深遠的前景。基于增材思維的先進制造技術體系正是中國制造業(yè)轉型升級的“第二種機會窗口”，使得我們有可能換道超車。增材思維是一場回歸設計本質、打破思維定勢、釋放設計自由度和激發(fā)創(chuàng)造力的革命；這場革命不僅是制造的革命，更是設計的革命，針對的不僅是產品研發(fā)設計人員，而是全體民眾?；谡蛟O計和增材制造的高端研發(fā)與先進制造整體解決方案正是安世亞太對“弘揚精益精神，創(chuàng)造智慧工業(yè)”這一初心和愿景的最新詮釋。