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

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。

一,、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：

二、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,。

基于VDI 2221的增材制造設(shè)計(jì)流程見下圖3：

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。

三,、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---流程與演進(jìn)：

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：

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

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：

四、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,。安世亞太倡導(dǎo)的精益研發(fā)與基于正向設(shè)計(jì)和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案必然在這場革命中經(jīng)受實(shí)際應(yīng)用的洗禮，進(jìn)而不斷完善走向成熟,，基于正向設(shè)計(jì)和增材制造的高端研發(fā)與先進(jìn)制造整體解決方案就是安世亞太對“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。