01增材制造與DfAM

增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術，是相對于傳統的材料去除加工工藝而提出的通過材料逐層增加的方式直接制造零件的一類技術。與材料“去除法”相比，增材制造技術能有效縮短生產周期、降低制造成本，并且具有較高的柔性、適應性及材料利用率等特點。在航空航天、汽車、模具、醫療等不同行業領域的增材制造應用越來越普遍。

增材制造設計DfAM（Design for Additive Manufacturing）一種創建、優化或調整零件、組件或產品的形式和功能以充分利用增材制造工藝優勢的方法，實現正向設計、按需制造的核心過程。

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DfAM是一個復雜的課題，也是一個熱門的研究領域。雖然基本概念很容易理解，但要掌握它們的實施可能具有挑戰性。隨著增材技術（和工程設計軟件）的能力不斷進步，最先進的產品設計和最佳實踐工程案例也在不斷發展。

傳統的工業思維模式是系統分解、零件加工和組件裝配的思維模式，如圖1所示。把整車分解為系統，在把系統分解成獨立的零部件；把系統分解的每個零部件都加工出來；把加工出來的零部件通過焊接、螺栓等連接方式組裝成系統，系統在通過各種連接方式組裝成整車。這樣做的目的是為了能夠快速批量化地把產品制造出來。

圖1 傳統的工業思維模式

增材制造技術具有的不受傳統工藝限制的特點，為高性能新產品研制帶來了顛覆性的突破和革命性的創新，實現了先進設計與先進制造的完美融合。同時該技術更能大幅度縮短生產周期、降低制造成本、節省材料消耗和加工制造費用。

02微型渦輪機外殼的設計案例

本案例是一個關于微型渦輪機關鍵部件外殼的功能集成一體化設計的過程。

圖2 微型渦輪機外殼的設計示意圖

當發動機以90000rpm的速度旋轉時，一切都需要精確對齊。裝配中有多個零件會增加錯位的機會。這樣，零件整合是提高機器可靠性的一項重要技術。同時冷卻系統是大功率能源發電系統的重要組成部分。事實上，熱管理是電機的主要尺寸限制之一。簡而言之，更好的冷卻意味著更多的功率。

首先使用nTopology的集成靜態和模態分析仿真工具確認外殼的壁厚設計，去除不必要的材料，創建一個可變壁厚的空心殼。

其次考慮到冷卻散熱的需求，通過模擬評估了隨形冷卻通道對系統性能的影響，nTopology中的熱有限元分析結果與Fluent中的CFD仿真結果相結合。將熱管理的隨形冷卻水道集成到整個外形殼上，形成具有用于冷卻發動機和預熱燃料的內部共形通道，這樣的設計就把用于減重的中空結構用作冷卻通道，完成了散熱功能的集成。

圖3 溫度場分析結果示意圖

該部件實現了三種功能的集成，完成了一體化設計。并且整個結構的性能得到了大幅提升，部件的工作溫度顯著降低，最高溫度降低了33％，而在發電機的外部溫度下降了86％到27℃，使之可以安全觸摸，同時整體減重44%。最后通過SLM成型工藝完成了整個結構的打印。

圖4 微型渦輪機外殼打印

03功能集成一體化設計的概念

通過微型渦輪機外殼的設計案例，我們可以看到增材制造的優勢，它不僅可以完成復雜結構的成型，帶來了部件數量的減少，同時還包括多種功能的集成在一個部件上，比如為了減重而設計的中空通道還可以作為冷卻系統的冷卻流道，兼具散熱的功能。

那么功能集成一體化設計就是在同一空間內實現不同功能結構材料與構型的相容，并且通過結構一體化實現輕量化，是對增材制造技術最直接的應用。從可靠性、輕量化角度出發，零部件是越少越好。比如實現結構-散熱-氣動或者結構-換熱-減振等功能。

增材制造為通過將多種功能、多個部件組合成一個部件的打開了設計大門。當然，在進行功能集成一體化設計的過程中需要注意的幾點：

? 取決于產品的設計空間；

? 產品與其他部件的裝配關系；

? 加筋設計；

? 變厚度設計；

? 成型工藝；

? 制造設備的成型尺寸。

識別多部件一體化的機會具有挑戰性。但考慮到好處時，值得付出努力。零件一體化可能導致：

? 通過消除對緊固件的需求來減輕重量；

? 降低裝配和質量控制成本；

? 通過最小化潛在故障點的數量來提高可靠性。

04功能集成一體化設計的未來趨勢

增材制造技術可以實現復雜部件的一體化制造，這為零部件設計帶來了優化的空間，設計師可以嘗試將原本通過多個組件裝配的復雜部件，進行一體化設計。這種方式不僅實現了零件的整體化結構，還能夠避免原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現功能最優化設計。

增材制造將更精密的設計信息承載到物理實體上，意味著所生成制品具有更強的功能性，進而帶來性能的飛躍。因此，在實現材盡其能、物盡其用，釋放復雜成形能力的表象下，增材制造的真正價值在于回歸設計本源，回歸產品功能。

在航空航天制造領域，功能集成一體化設計的結構實現除了帶來輕量化的優勢，減少組裝的需求也為航天航空發動機打開提升性能的想象空間。增材制造技術的這一優勢受到了重視，并成為下一代航天航空研發發動機技術的搶灘高地。

作者：李新路，工學碩士，任DfAM賦能業務部技術經理。負責公司在增材業務領域面向工業品的設計、仿真、工藝、制造等方面的技術及管理工作。在國內期刊會議公開發表論文3篇，參與公司申請專利15項，現授權專利10項。擁有10多年的設計仿真分析工作經驗，其中4年的增材制造業務領域設計仿真分析工作經驗，為三十多家企業客戶提供過設計仿真分析咨詢，參與過近百個設計仿真咨詢項目實施，行業涉及到增材制造、汽車、新能源電池、航空航天、核能等多個行業領域。