DfAM讓增材制造“造物不止于形”

安世亞太

2021年4月22日 15:38

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千百年來，人類制造技術發展的絕大多數努力集中在了形狀塑造上，并且這種趨勢一直延續到現代，從石器打磨到陶器塑形，從澆鑄青銅器到制作木質家具，從金屬切削到單晶硅片光蝕刻，對材料形狀的加工長期以來一直是人們賦予制品以功能的主要手段。

與之相比，人類在發現、利用材料方面的進步要慢許多，第一次工業革命后的一百余年時間里，精煉鋼材、有色金屬、合金材料、工程陶瓷、人造單晶材料等高性能材料才陸續登上制造業舞臺。

與利用材料相比，改進材料物性提升制品性能的研究則更為初級。直到2011年6月美國政府發布材料基因組計劃（MGI），對新材料物性與材料配方關系的研究，才開始擺脫研究者的科學直覺和大量重復的“嘗試法”實驗的低層次局面。

“造物不止于形”是大勢所趨

傳統制造方式普遍建立在對單一均值材料的等材、減材制造模式之上，其所能提供干預材料物性的手段很少，制造復雜結構的方法也十分有限，這限制了材料、功能與制造技術的協同發展。增材制造技術的出現，從根本上改變了傳統制造技術與材料、結構、功能相互割裂的發展局面。

圖1 傳統CNC加工

其原因在于3D打印機在輸出物理實體時， 采用了從無到有的受控生長方式 ，其所用的建造物質從低維度的點、線或面形態，以積分原理累積形成最終的三維實體；而在持續累積過程中，3D打印機有充分的時空窗口對建造物質的 物性、結構、功能進行從微觀到宏觀的主動控制 ，即將 形狀信息承載至建造物質的同時，亦將物性屬性和功能屬性施加至建造物質。 這使得打印過程結束時，所輸出三維實體既承載了宏觀的形狀信息，也被附加了微觀的材料物性信息，使得最終制品的功能得以同步完成。

圖2 增材制造（德迪工藝混合智能制造流水線FDM工位）

任何制造過程本質上都是將設計信息承載到物質的過程，增材制造讓我們有充分的理由相信“造物不止于形”這一制造理念的可行性。增材制造技術有足夠的潛力推動制品性能迎來新一輪重大升級，從而再次賦能制造業。

增材制造與正向設計相輔相成

將傳統制造的設計方法與評價標準遷移到增材制造應用的實踐中，兩者在多方面表現出了沖突性。因此，增材技術還需與之匹配的設計理念才能付諸實踐。我們把面向增材制造的設計方法稱為DfAM（Design for Additive Manufacturing），包括從產品功能需求出發的正向設計、從產品性能改進出發的增材制造再設計、從增材工藝約束出發的制造優化設計等等。

正向設計是增材制造帶來最具“破壞力”的革新。它讓設計師拋棄了傳統制造手段的束縛， 能真正從產品的功能需求出發，設計出功能最優、材料最省、效率最高的結構形式， 顛覆傳統設計思維的桎梏。

正向設計與增材制造之間存在一種相互促進的辯證關系。正向設計所提供的架構性創新徹底釋放了增材制造的價值，因為優化和創新到極致的設計往往也是復雜至極的，而復雜結構正是增材制造的優勢所在。反過來講，增材制造打通了正向設計的傳統瓶頸，賦予了正向設計無限自由，完全可以放飛自我，進行顛覆式創新。

正向設計在DfAM實踐中的關鍵要素

第一項關鍵要素是創成式設計 。不同于傳統的設計方法，創成式設計發揮算法和人工智能的長處，設計師只需要提供必要的設計限制，其余的完全交給算法來創造。

拓撲優化算法是目前常見的設計算法之一。在拓撲優化過程中，我們并不需要對結構的形式做限定，只需要給出結構的受力和約束條件，軟件通過特定的拓撲優化算法，按照力的傳遞路徑自動找到最佳的結構形式。

圖3 創成式設計的3D打印鞋底

第二項關鍵要素是多尺度仿真， 因為增材制造過程跨越了廣泛的時空尺度。在空間維度，材料的晶體結構在納米級別，點陣或多孔結構的特征尺寸在毫米級別，而目前最大的增材制造整體結構已經達到十數米的級別。在時間維度，單個熔池的壽命在毫秒級別，單個片層的掃描時間在分鐘級別，而整個零件的制造過程長達數天或數周的時間。

宏觀結構的力學特性需要根據材料微觀結構來計算等效獲得；材料微觀結構的計算則需要宏觀結構的仿真結果作為輸入。因此，如何保證在不同時空維度下，增材制造的產品性能都是最優的，是我們面臨的一個難題。