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DfAM让增材制造“造物不止于形”

2022/6/17    来源:安世亚太    作者:马立敏      
关键字:增材制造  DfAM  
任何制造过程本质上都是将设计信息承载到物质的过程,增材制造让我们有充分的理由相信“造物不止于形”这一制造理念的可行性。增材制造技术有足够的潜力推动制品性能迎来新一轮重大升级,从而再次赋能制造业。
       千百年来,人类制造技术发展的绝大多数努力集中在了形状塑造上,并且这种趋势一直延续到现代,从石器打磨到陶器塑形,从浇铸青铜器到制作木质家具,从金属切削到单晶硅片光蚀刻,对材料形状的加工长期以来一直是人们赋予制品以功能的主要手段。

       与之相比,人类在发现、利用材料方面的进步要慢许多,第一次工业革命后的一百余年时间里,精炼钢材、有色金属、合金材料、工程陶瓷、人造单晶材料等高性能材料才陆续登上制造业舞台。

       与利用材料相比,改进材料物性提升制品性能的研究则更为初级。直到2011年6月美国政府发布材料基因组计划(MGI),对新材料物性与材料配方关系的研究,才开始摆脱研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验的低层次局面。

1 “造物不止于形”是大势所趋

       传统制造方式普遍建立在对单一均值材料的等材、减材制造模式之上,其所能提供干预材料物性的手段很少,制造复杂结构的方法也十分有限,这限制了材料、功能与制造技术的协同发展。增材制造技术的出现,从根本上改变了传统制造技术与材料、结构、功能相互割裂的发展局面。

传统CNC加工

图1 传统CNC加工

       其原因在于3D打印机在输出物理实体时,采用了从无到有的受控生长方式,其所用的建造物质从低维度的点、线或面形态,以积分原理累积形成最终的三维实体;而在持续累积过程中,3D打印机有充分的时空窗口对建造物质的物性、结构、功能进行从微观到宏观的主动控制,即将形状信息承载至建造物质的同时,亦将物性属性和功能属性施加至建造物质。这使得打印过程结束时,所输出三维实体既承载了宏观的形状信息,也被附加了微观的材料物性信息,使得最终制品的功能得以同步完成。

增材制造(德迪工艺混合智能制造流水线FDM工位)

图2 增材制造(德迪工艺混合智能制造流水线FDM工位)

       任何制造过程本质上都是将设计信息承载到物质的过程,增材制造让我们有充分的理由相信“造物不止于形”这一制造理念的可行性。增材制造技术有足够的潜力推动制品性能迎来新一轮重大升级,从而再次赋能制造业。

2 增材制造与正向设计相辅相成

       将传统制造的设计方法与评价标准迁移到增材制造应用的实践中,两者在多方面表现出了冲突性。因此,增材技术还需与之匹配的设计理念才能付诸实践。我们把面向增材制造的设计方法称为DfAM(Design for Additive Manufacturing),包括从产品功能需求出发的正向设计、从产品性能改进出发的增材制造再设计、从增材工艺约束出发的制造优化设计等等。

       正向设计是增材制造带来最具“破坏力”的革新。它让设计师抛弃了传统制造手段的束缚,能真正从产品的功能需求出发,设计出功能最优、材料最省、效率最高的结构形式,颠覆传统设计思维的桎梏。

       正向设计与增材制造之间存在一种相互促进的辩证关系。正向设计所提供的架构性创新彻底释放了增材制造的价值,因为优化和创新到极致的设计往往也是复杂至极的,而复杂结构正是增材制造的优势所在。反过来讲,增材制造打通了正向设计的传统瓶颈,赋予了正向设计无限自由,完全可以放飞自我,进行颠覆式创新。

3 正向设计在DfAM实践中的关键要素

       第一项关键要素是创成式设计。不同于传统的设计方法,创成式设计发挥算法和人工智能的长处,设计师只需要提供必要的设计限制,其余的完全交给算法来创造。

       拓扑优化算法是目前常见的设计算法之一。在拓扑优化过程中,我们并不需要对结构的形式做限定,只需要给出结构的受力和约束条件,软件通过特定的拓扑优化算法,按照力的传递路径自动找到最佳的结构形式。

创成式设计的3D打印鞋底

图3 创成式设计的3D打印鞋底

       第二项关键要素是多尺度仿真,因为增材制造过程跨越了广泛的时空尺度。在空间维度,材料的晶体结构在纳米级别,点阵或多孔结构的特征尺寸在毫米级别,而目前最大的增材制造整体结构已经达到十数米的级别。在时间维度,单个熔池的寿命在毫秒级别,单个片层的扫描时间在分钟级别,而整个零件的制造过程长达数天或数周的时间。

       宏观结构的力学特性需要根据材料微观结构来计算等效获得;材料微观结构的计算则需要宏观结构的仿真结果作为输入。因此,如何保证在不同时空维度下,增材制造的产品性能都是最优的,是我们面临的一个难题。

4 DfAM的完整流程

       以最常见的拓扑优化和点阵结构为例,一个完整的面向增材制造的设计流程通常包括如下几个步骤:

       Step 1 拓扑优化:确定架构设计方案。

       Step 2 结构设计:模型光顺处理、实体化、点阵结构设计等。

       Step 3 参数优化:在初始设计方案的基础上进一步优化设计方案。

       Step 4 设计验证:对设计方案进行性能和工艺仿真。

       在具体的产品设计过程中,很难有案例只经过了这四个步骤就完成了完美的设计方案,其过程往往需要经过多轮迭代优化。

DfAM完整流程

图4 DfAM完整流程

点阵结构多尺度分析基本流程

图5 点阵结构多尺度分析基本流程

5 如何培养DfAM设计思维

       在实现材尽其能、物尽其用,释放复杂成形能力的表象下,增材制造的真正价值在于回归设计本源,回归产品功能,重塑增材思维,实现造物不止于形的造物革命。作为新一代的物质生产技术,它将与新一代信息技术深度融合,成为第四次工业革命的核心技术引擎。

       但是,目前人们对于增材制造这一新生技术的认识还处于初级极端,很少站在系统高度统一材料、工艺、设计、性能、功能等要素,造成增材制造各要素之间各自为政、严重脱节、甚至相互割裂对立的现实局面。加速增材制造技术大规模商用化的关键,是站在巨人的肩膀上学习增材设计,缩短学习曲线,避免犯重复的错误。

基于增材思维的先进设计与智能制造

图6 基于增材思维的先进设计与智能制造
责任编辑:程玥
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