Chinese Journel of Mechanical Engineering : additive Mangacturing Frontiers《中國機械工程學報：增材制造前沿》是由中國科協主管、中國機械工程學會主辦的英文學術期刊，于2022年2月15日正式創刊發文。這是中國第一份在愛思唯爾（Elsevier）開設的增材制造領域專業學術期刊，編委會由國內增材制造領域的眾多著名專家學者組成。

2022年2月18日，《Chinese Journel of Mechanical Engineering : additive Mangacturing Frontiers》的首篇論文《Roadmap for Additive Manufacturing: toward Intellectualization and Industrialization》（《增材制造路線圖：邁向智能化和工業化》）”在ScienceDirect上線。14位中國增材制造專家對增材制造的 設計方法、材料、工藝和設備、智能結構、生物結構以及在極端規模和環境中的應用 進行了全面的綜述，旨在描述未來5~10年的技術研究路線圖。作者為西安交通大學李滌塵、田小永教授團隊；南京航空航天大學顧冬冬教授團隊；西北工業大學林鑫教授團隊；清華大學林峰教授團隊；華中科技大學宋波教授團隊。

本期，我們為您帶 來設計方法、材料、工藝和設備 的精彩內容。

01

增材制造的設計方法

 

發展現狀

1）拓撲優化 。一種計算機輔助設計方法，用于生成復雜結構的創新設計，表現出可調剛度、梯度特征和優異的輕質性能。通過拓撲優化把多個部件合并成一個部件是常見的優化策略。

2）多學科優化 。設計結構需要滿足多個目標并滿足相關約束，例如復雜的載荷條件、高耐熱性、有限的應力和位移。多學科優化不僅包括典型的結構設計約束，也包括工藝的約束，例如材料的各向異性、打印方向和過程參數。工藝仿真軟件可以預測加工過程中的溫度梯度和殘余應力分布，獲得的溫度場或應力場可用于幫助消除結構變形。

3）微觀晶格和宏觀結構的梯度設計 。

4）數據驅動的集成工藝-結構-性能的設計 。以實現多個工藝參數、打印方向和結構設計的并行優化。

（a）飛機機翼拓撲優化；（b）發動機的薄壁晶格填充；（c）耐熱結構的雙梯度材料和功能設計；（d）帶有支撐結構的金屬承重結構；（e）和（f）承重結構的無支撐設計；（g）鈦合金多層級設計；（h）、（i）和（j）衛星支架的實體-點陣并行設計；（k）連續變化的點陣多層級設計。

未來方向

1）結構和多學科拓撲優化 。結構設計的綜合優化需要考慮寬頻振動、循環載荷下的材料疲勞、極端高溫和強輻射等極端載荷條件。需要實施外部載荷的多物理模擬，以增強和拓寬綜合優化的視野。所設計的部件保持必要的機械性能，并具有其他功能，例如光學、電磁、熱性能等。引入多物理驅動的體積設計，將多尺度特征和多類型材料進行數字化整合，實現結構的功能融合。

 

2）知識庫驅動的設計方法 。這是智能設計和制造系統的一個重要方面，知識庫包括材料數據庫、功能晶格單元庫、工藝參數組合、以及它們之間的相互影響關系。這些信息可以通過多物理過程模擬、人工智能以及機器學習算法建立。

 

3）以成本為導向的設計 。收集設計、制造和服役期間的真實數據流，支撐面向成本的設計。產品設計的迭代過程在數字系統中進行將顯著降低開發成本和時間消耗。

 

4）自動化超材料結構設計 。通過模塊化設計方法，創造具有期望性能的超材料。

增材制造設計方法路線圖

02

增材制造的材料

發展現狀

1） 金屬、聚合物、陶瓷和天然材料 已經用于不同的增材制造工藝中。

 

2）基于這些同質材料系統，已經成功地建立了使用 異質材料 (包括各種復合材料和多種材料)的工藝，以便獲得更高的性能、更多的功能，甚至定制的性能，包括例如阻燃聚合物、直接金屬和陶瓷復合材料。

3）具有某些響應特性的 智能材料 ，如形狀記憶的4D打印。

增材制造材料體系

 

未來方向

1）完善材料設計理論 。通過材料基因組建立專業數據庫，實現智能優化選材。通過建立成分、工藝、微觀結構與性能之間的內在聯系，可以根據材料的性能設計出滿足要求的微觀結構。

 

2）對于以目標為導向的材料多層次、多因素設計 。對于結構材料，要實現面向材料的增韌設計；對于智能材料，如形狀記憶聚合物和合金，有必要實現可控的變形恢復設計。

 

3）智能復合材料 。先進復合材料的先進制造技術將為實現跨尺度智能復合材料結構的設計和制造提供有力的工具。

03

增材制造的工藝和設備

發展現狀

1） 正在智能轉型 。在保持定制的效益基礎上，具有數字化基因的增材制造正在提高大規模生產效率、質量控制、柔性生產等方面的核心競爭力。

2） 將高端機床和智能工業機器人引入設備架構 ，大大提高增材制造過程中傳感和控制的效率和自動化水平。

3） 設備自動化與數字信息化相結合 。基于數據、軟件和網絡并結合多尺度建模和模擬、機器學習和人工智能等先進技術，建立數字生態系統，有效地將信息與物理過程聯系起來，刺激制造能力。

4） 機器人輔助、增減材復合 。通過將增減材成形制造相結合的混合多任務處理使得在單個處理設置期間修改內部和外部特征成為可能。此外，在機器人傳感器或攝像機的幫助下，可以通過在線識別和反饋實現自主路徑規劃和原位參數調整。

5）創建一個 包含機械、統計和控制建模的數字雙胞胎 ，以智能和經濟有效的方式認證增材制造產品。

基于先進設備和數字生態系統的增材框架

未來方向

1）開發多機器人協作下的混合增材制造解決方案 。以敏捷制造為核心的混合制造結合了各種加工技術的優點，在多材料、多結構和多功能制造方面顯示出良好的前景。

 

2）提高監控和傳感設備的功能和集成度 。調幅過程中的信號處理涉及視覺、光譜、聲學和熱學。多功能單一裝置將顯著提高監測和傳感裝置在工業中的普及性；同時，通過與數據預處理軟件的耦合，將提高物理建模、過程優化和閉環控制中的數據可用性。

3）將工業互聯網融合成增材制造數字孿生 。工業互聯網可以解決數字孿生的核心問題——模型和數據，從而通過云平臺共享和分析數據和模型。

 

4）完善增材數字生態系統 。集成先進設備或技術，如過程監控、信息感知、機器學習、人工智能、數據庫等。

工藝和設備未來行動項

下期，我們還將帶您了解14位中國增材制造專家對增材制造的 智能結構、生物結構以及在極端規模和環境中的應用方面 的精彩內容，與您一起暢談未來5~10年的技術研究路線圖。敬請關注！

---

推薦|“增材思維 數智未來”系列文章

1.挑戰與機遇并存：增材制造的數字化智造未來

2.數字化制造的技術引擎，3D打印是否低碳？

3.自動化時代，人工智能如何改變設計

您的增材制造小幫手來了！安世亞太增材評估小程序已經正式上線！只需花費2分鐘，快速測評增材技術對產品的應用潛力，得到增材設計與制造方法的指導建議。根據下方提示，快來測一測吧！