以增材思維為核心的先進(jìn)設(shè)計(jì)與智能制造

來源：安世亞太

增材制造是指基于類似數(shù)學(xué)微積分的離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動和計(jì)算機(jī)自動控制實(shí)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(shù)。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(chǎn)業(yè)革命中將會改變?nèi)祟惿�產(chǎn)方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術(shù)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(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能材料制備、復(fù)雜構(gòu)件制造的一體化，并為宏觀上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和微觀上的材料制備帶來革命性的變化。

增材制造技術(shù)背后的增材思維是一場設(shè)計(jì)的革命，它完全打開了設(shè)計(jì)枷鎖，DFM（制造）、DFA（裝配）等基于減材制造的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法少有用武之地，設(shè)計(jì)人員可以真正回歸用戶需求，進(jìn)行面向功能的設(shè)計(jì)（DFF）或面向增材制造的設(shè)計(jì)（DFAM），按照價值、功能和能量的觀點(diǎn)，使設(shè)計(jì)與工藝、設(shè)計(jì)與制造之間不再是因果與順序關(guān)系而是互為激勵的活系統(tǒng)，以效法自然的方式實(shí)現(xiàn)大型/超大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、復(fù)雜/超復(fù)雜構(gòu)件或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、多品種小批量個性化產(chǎn)品的低成本創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速制造，乃至創(chuàng)造超常結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超常功能。

安世亞太經(jīng)過多年基于對系統(tǒng)工程、產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)和仿真分析的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合增材行業(yè)應(yīng)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(shè)計(jì)和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案，為《中國制造2025》中的設(shè)計(jì)制造一體化提供可落地實(shí)施的解決方案。

1 技術(shù)架構(gòu)   
基于正向設(shè)計(jì)和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案的技術(shù)架構(gòu)參照了錢學(xué)森在系統(tǒng)觀點(diǎn)指導(dǎo)下1980年代初提出的“三個層次一座橋梁”的現(xiàn)代科學(xué)學(xué)科體系一般框架，包括基礎(chǔ)學(xué)科層——系統(tǒng)工程、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)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(shù)學(xué)科層——TRIZ及技術(shù)創(chuàng)新和管理、拓?fù)鋬?yōu)化、工程仿真、知識工程，工程技術(shù)層——基于系統(tǒng)工程面向增材制造的產(chǎn)品材料工藝一體化設(shè)計(jì)方法學(xué)、及其流程體系組合配置而成的正向設(shè)計(jì)咨詢體系、先進(jìn)制造工藝融合優(yōu)選咨詢體系、先進(jìn)材料制備研備服務(wù)體系，工程實(shí)踐層——面向工業(yè)品的解決方案體系（如飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、汽車、模具等）、面向產(chǎn)業(yè)鏈的解決方案體系（如創(chuàng)業(yè)者、消費(fèi)者、高等教育和職業(yè)培訓(xùn)等公共事業(yè)、文創(chuàng)、建筑等）、面向工業(yè)化和信息化的產(chǎn)品體系（工藝和材料設(shè)備、軟件工具和平臺等）,核心內(nèi)容為：

圖1 基于正向設(shè)計(jì)和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案技術(shù)架構(gòu)

2流程體系   
面向增材制造的設(shè)計(jì)的總體流程如圖2所示。這一流程涵蓋了產(chǎn)品的需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等過程。在實(shí)際應(yīng)用時，需要將這一指導(dǎo)性流程與雙V模型的系統(tǒng)工程過程框架進(jìn)行結(jié)合。圖3給出了基于德國標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)VDI 2221的面向增材制造的設(shè)計(jì)流程，可以認(rèn)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(shè)計(jì)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?fù)鋬?yōu)化及仿真和創(chuàng)成設(shè)計(jì)一體化流程（圖4），面向增材制造的創(chuàng)成設(shè)計(jì)流程（圖5）等。

圖2 面向增材制造的設(shè)計(jì)方法的總流程

基于VDI 2221的增材制造設(shè)計(jì)流程見下圖3：

圖3 基于VDI 2221的增材制造設(shè)計(jì)流程

正向設(shè)計(jì)和增材制造結(jié)合的解決方案，應(yīng)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(yīng)用于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)的管理、融合和協(xié)同，應(yīng)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(shè)，乃至應(yīng)用于集團(tuán)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(shè)計(jì)制造模式下的數(shù)據(jù)層服務(wù)示例

3 成功案例   
1、機(jī)器人手臂增材正向設(shè)計(jì)案例

圖5是機(jī)器人手臂拓?fù)鋬?yōu)化

增材設(shè)計(jì)效果以及通過實(shí)際增材打印進(jìn)行試驗(yàn)的情況見圖6：

圖6 機(jī)器人手臂增材設(shè)計(jì)效果及實(shí)際試驗(yàn)情況

2、分流器封蓋增材正向設(shè)計(jì)案例

分流器封蓋有相應(yīng)的設(shè)計(jì)輸入和要求：

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

圖7 分流器封蓋增材正向設(shè)計(jì)

增材設(shè)計(jì)效果以及通過實(shí)際增材打印進(jìn)行試驗(yàn)的情況見圖8：

圖8 分流器封蓋設(shè)計(jì)效果及實(shí)際試驗(yàn)情況

4 結(jié)論
增材制造與傳統(tǒng)制造的關(guān)系，可以類比為經(jīng)典物理和原子物理的關(guān)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(yuǎn)的前景�；�于增材思維的先進(jìn)制造技術(shù)體系正是中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的“第二種機(jī)會窗口”，使得我們有可能換道超車。增材思維是一場回歸設(shè)計(jì)本質(zhì)、打破思維定勢、釋放設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的革命，針對的不僅是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)人員，而是全體民眾�；�于正向設(shè)計(jì)和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案正是安世亞太對“弘揚(yáng)精益精神，創(chuàng)造智慧工業(yè)”這一初心和愿景的最新詮釋。