國內(nèi)制造企業(yè)如何融入增材制造的設(shè)計,？

作者：林傳春

3D打印技術(shù)在航空航天零部件,，骨科植入物,、模具鑲件,、熱交換器等制造領(lǐng)域取得了有目共睹的進展。即使是不熟悉3D打印技術(shù)的人也容易發(fā)現(xiàn),，通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)技術(shù)制造的產(chǎn)品在設(shè)計上有著明顯不同。這是由于,，那些作為最終產(chǎn)品而非設(shè)計原型的3D打印零部件，往往是采用增材制造設(shè)計思維設(shè)計的,，充分利用了增材制造技術(shù)能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)技術(shù)對設(shè)計的束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)計,。

那么，當(dāng)國內(nèi)制造企業(yè),，尤其是中小企業(yè)面對3D打印技術(shù)時，如何融入面向增材制造的設(shè)計,，設(shè)計師如何才能掌握基于增材制造的產(chǎn)品設(shè)計方法-為增材制造而設(shè)計（DfAM）的思維設(shè)計法呢？在本期文章中,，作者就這兩個問題進行詳細分析，希望能夠?qū)χ圃炱髽I(yè)和設(shè)計師有所幫助,。

企業(yè)經(jīng)營的轉(zhuǎn)變涉及很多環(huán)節(jié)的調(diào)整，很難在短時間實現(xiàn),，讓設(shè)計師直接掌握最“純正”的DfAM設(shè)計方法需要時間長，且很難迅速在所定位的產(chǎn)品中靈活的運用,。企業(yè)運用新技術(shù)替代傳統(tǒng)技術(shù)的轉(zhuǎn)變需要一系列的“過渡階段”,，在不影響企業(yè)正常經(jīng)營的情況下，逐步實現(xiàn)企業(yè)向增材制造設(shè)計的轉(zhuǎn)型,。

I 對于多數(shù)的產(chǎn)品設(shè)計與制造企業(yè),，不能實現(xiàn)降低企業(yè)成本,，批量化生產(chǎn)和增加企業(yè)收益的技術(shù)肯定不會用。

I 為增材制造而設(shè)計（Design for additive manufacturing,，DfAM)是一種設(shè)計方法,。常見的定義是：基于增材制造技術(shù)的能力，通過形狀,、尺寸,、層級結(jié)構(gòu)和材料組成的系統(tǒng)綜合設(shè)計最大限度提高產(chǎn)品性能的方法,。

企業(yè)如何轉(zhuǎn)變觀念,，融入增材制造技術(shù)？

我們需要面對的現(xiàn)實情況是：很多國內(nèi)的企業(yè)都希望能夠降本增效,，一項新的技術(shù)，如果能夠滿足企業(yè)“降本增效” 的需求,，才可能被企業(yè)關(guān)注,，并引入到企業(yè)當(dāng)中�,，F(xiàn)在國家大力提倡的“機器人換人”戰(zhàn)略，機器人自動化技術(shù)能夠真實的讓企業(yè)減少人工成本,，并且提升產(chǎn)能。企業(yè)經(jīng)營者能夠看到,，每增加一個機器人的運用，就可以減少幾個人工成本,，逐步替換,，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造的“無人化”,，將邊際成本變?yōu)樽畹�,。這個技術(shù)帶來的好處是比較明顯的，因此很多的企業(yè)都有在這方面發(fā)力,，按照企業(yè)規(guī)劃的自動化發(fā)展階段，在不影響經(jīng)營的情況下 ,，逐步實現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

對于增材制造技術(shù)在企業(yè)的發(fā)展階段,，筆者歸納了四個階段，分別呈現(xiàn)給大家：

• 初級階段—讓增材制造技術(shù)充當(dāng)“助手”
• 入門階段—讓增材制造技術(shù)充當(dāng)“特種小分隊”
• 增長階段—讓增材制造成為企業(yè)的“先鋒部隊”
• 完成階段—完成轉(zhuǎn)型實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展“新定位”
  

在入門階段,，筆者詳細闡述了一種新的面向企業(yè)的設(shè)計師DfAM思維培養(yǎng)理論與方法—結(jié)構(gòu)功能融合設(shè)計法。

初級階段—讓3D打印技術(shù)充當(dāng)“助手”
對于企業(yè)而言,，就目前的3D打印技術(shù)實現(xiàn)能力,，可能只是自己在產(chǎn)品制造當(dāng)中的一個環(huán)節(jié),，要完全替代原有生產(chǎn)線，不是短時間能夠?qū)崿F(xiàn)的事情,。要啟動轉(zhuǎn)變，就需要讓3D打印技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計制造周期當(dāng)中,，先充當(dāng)“助手”的身份，在產(chǎn)品原型設(shè)計,，還沒有實現(xiàn)批量化的階段，幫助企業(yè)實現(xiàn)降本增效,。

在確定產(chǎn)品的設(shè)計需求以后,，設(shè)計師需要根據(jù)產(chǎn)品功能需求，同時還要考慮企業(yè)所能提供的制造能力和投入資金情況下,，盡早完成產(chǎn)品的設(shè)計，盡早投入到生產(chǎn)環(huán)節(jié),。這是筆者所理解的企業(yè)經(jīng)營者在思考時的“底層思維”。

3D打印在這個階段,，可以以其快速原型驗證的特點，減少產(chǎn)品原型的制造周期,，實現(xiàn)快速產(chǎn)品迭代。原本需要數(shù)月,，花費幾十萬資金的原型階段�,？梢岳�用這個技術(shù),，縮短為1-2周內(nèi)的時間,，成本只有原來的十分之一，甚至更少,，實現(xiàn)降本增效。現(xiàn)在的3D打印手板業(yè),，基本就是3D打印快速原型驗證的實際市場化運用,。對于原型驗證少的企業(yè),，可以選擇尋找打印服務(wù)，對于原型驗證多的企業(yè),，則可以選擇自購打印機，實現(xiàn)快速原型驗證,。

入門階段—讓3D打印技術(shù)充當(dāng)“特種小分隊”
都說“模具是工業(yè)之母”,，大量的制造業(yè)企業(yè),，都使用模具設(shè)備來實現(xiàn)產(chǎn)品高效率、大批量、低成本的生產(chǎn),。另一種就是傳統(tǒng)機械行業(yè)的一些產(chǎn)品,， 需要利用減材制造的技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，企業(yè)需要購買設(shè)備或以買服務(wù)的方式,，以“車銑刨磨”等多種機加工方式來滿足產(chǎn)品的制造需求,，大量不同的專業(yè)設(shè)備，帶來了采購成本,，也帶來了大量的專業(yè)設(shè)備操作人員的人工成本和時間成本,，產(chǎn)品完整生產(chǎn)模具開發(fā)成本也很高,。這些統(tǒng)稱之為生產(chǎn)成本,。想要平攤產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，要么就是大批量生產(chǎn),，要么就是提高產(chǎn)品的價格,，這是筆者理解的企業(yè)經(jīng)營者在思考批量制造階段時的“底層思維”。這樣的方式所導(dǎo)致的結(jié)果就是—-越是個性化定制的產(chǎn)品,，越是市場需求量少的產(chǎn)品,，價格就出奇的高。

《商戰(zhàn)》一書中談到,，—商場如戰(zhàn)場,。如果把一家企業(yè)比作一直作戰(zhàn)的軍隊，那么現(xiàn)有的“軍隊”編制和運營能夠讓企業(yè)應(yīng)對當(dāng)前局勢,。突然轉(zhuǎn)變并不可取,，而在現(xiàn)有編制下，打造一只“特種小分隊”,，則是一種合適的發(fā)展選擇,。

對于大企業(yè)，企業(yè)中有一定規(guī)模的設(shè)計部門存在,，具體到企業(yè)中可執(zhí)行的策略就是,，在設(shè)計部門選擇數(shù)人成立增材制造產(chǎn)品研究小組，根據(jù)自身的產(chǎn)品定位與特點,，來開發(fā)新的適應(yīng)于增材制造而且有市場需求的個性化產(chǎn)品,，并合理的控制新產(chǎn)品價格。以此為企業(yè)注入新的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢,，同時也不必花費過多的人力物力,。

在產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)過程中,，設(shè)計師會積累大量的增材制造相關(guān)的設(shè)計經(jīng)驗,，與設(shè)備經(jīng)常的打交道能夠幫助設(shè)計師更好的理解增材制造的相關(guān)工藝設(shè)計,，培養(yǎng)增材制造設(shè)計思維，使設(shè)計更適合于使用增材制造制造,。在采用適合3D打印制造的方式實現(xiàn)小批量的設(shè)計并制造以后,，只需要根據(jù)訂單需求，調(diào)取原有設(shè)計數(shù)據(jù),，制造個性化定制的產(chǎn)品并投入市場,。

對于中小企業(yè)，本身設(shè)計部門的時間有限,，不能單獨成立“特種小分隊”

開發(fā)新產(chǎn)品,。要解決這個難題,，有一種比較簡單的解決方式就是—原始設(shè)計+3D打印輔助設(shè)計。在不太改變原有產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計的情況下,，與具備增材制造設(shè)計能力的公司進行項目合作,，針對要使用3D打印技術(shù)制造的產(chǎn)品，只對局部做修改調(diào)整,，使其符合3D打印的工藝要求,。進而用3D打印技術(shù)實現(xiàn)批量化的生產(chǎn),，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，如果企業(yè)不想承擔(dān)當(dāng)前3D打印技術(shù)昂貴的設(shè)備成本,，也可以選擇3D打印的服務(wù),。來實現(xiàn)對成本的控制，完成產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié),，并同時讓中小企業(yè)具備了“特種小分隊”這樣的競爭優(yōu)勢,。

不管對于哪種企業(yè)，最為徹底的解決方式就是——培訓(xùn)企業(yè)設(shè)計人員的增材制造設(shè)計思維,，使其具備應(yīng)用3D打印設(shè)備做設(shè)計的能力,。這是一種從內(nèi)部實現(xiàn)改變的最好的方式。

對于很多的企業(yè)而言,，自己企業(yè)的設(shè)計人員的大部分時間都在自家產(chǎn)品“設(shè)計”上,。對自家產(chǎn)品的一些設(shè)計細節(jié)的把握非常細致。對于產(chǎn)品提出的任何新問題,，都可以快速的找到新的設(shè)計方法，實現(xiàn)產(chǎn)品的迭代。從這點來說,，設(shè)計師的“原有設(shè)計思維”是非常強的,。如果想徹底的去改變一個人常年使用的思維和方法，也是非常困難的,。既然做減法難,，那就做思維的加法，在原有產(chǎn)品設(shè)計思維的基礎(chǔ)上,，增加增材制造的設(shè)計思維,。那我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)讓設(shè)計師在“原有產(chǎn)品設(shè)計思維”上，逐漸實現(xiàn)思維的疊加,，筆者給出的建議如下:

進行增材制造技術(shù)的培訓(xùn)
與增材制造相關(guān)的專家或者設(shè)備供應(yīng)商合作,，為企業(yè)的設(shè)計師進行適合企業(yè)的增材制造技術(shù)的設(shè)備使用的工藝講解。使設(shè)計師知道并理解有這樣一個設(shè)備,，它的基本工藝特點,。讓設(shè)計師意識到：“這個設(shè)備是我設(shè)計時可以使用的一種新的制造方法，我可以選擇不用以前的設(shè)備來考慮制造自己設(shè)計的產(chǎn)品,，而是用這種新技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計”,。

越是年輕的設(shè)計師，接受新事物的能力越強,。企業(yè)可以選擇一些年輕的設(shè)計師來熟悉這個技術(shù),，并給予設(shè)計師嘗試的技術(shù)，讓設(shè)計師直接考慮以這樣的制造技術(shù)來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計與制造,。再才是針對這樣的技術(shù)一點點的優(yōu)化迭代自己的產(chǎn)品設(shè)計思路,。這個階段，要允許設(shè)計師對設(shè)計的創(chuàng)新嘗試,，允許試錯,。只要做的設(shè)計能滿足產(chǎn)品需求，能夠用3D打印制造出來,，也不必要考慮最優(yōu)化設(shè)計,，就安排生產(chǎn)，投入市場 ,。一次次的產(chǎn)品設(shè)計,，一次次的設(shè)計迭代，直到達到成熟,，這樣一個原有產(chǎn)品設(shè)計思維+增材制造設(shè)計思維的設(shè)計師就會成為了企業(yè)的競爭新優(yōu)勢,！

需要提及的是，當(dāng)前現(xiàn)有的DfAM思維培訓(xùn)中,，基本都繞不開仿真設(shè)計環(huán)節(jié),，但對于很多中小企業(yè)來說,，花費巨資購買仿真軟件以及花很長時間培養(yǎng)具備仿真能力的設(shè)計人員，并不是企業(yè)最好的選擇,，這也給這個技術(shù)的推廣設(shè)置了巨大的門檻,。以下兩點可以幫助企業(yè)設(shè)計師快速獲得DfAM思維能力，而不需要花費巨資,。

1. 選擇具備仿真能力的軟件做基礎(chǔ)仿真,。
有一點必須注意的是：對于很多產(chǎn)品更重要的是能夠制造出來，仿真只是幫助產(chǎn)品優(yōu)化的手段之一,，而對于一些本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化要求不高,，更多追求功能實現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)計來說，如果在仿真方面花費的時間與精力占用了產(chǎn)品太多的開發(fā)周期,，并不可取,。像Solidworks這樣的上手容易的建模軟件其實也有仿真功能，在網(wǎng)上尋找網(wǎng)課,，只需要花費很少的費用和時間,，學(xué)學(xué)基本的增加載荷做受力分析，就可以驗證自己改造的設(shè)計,，結(jié)構(gòu)受力是否合理,。

另外值得一提的是：Altair的 inspire仿真軟件，也可供普通設(shè)計人員使用,，操作上去除了復(fù)雜的操作流程,。筆者在安裝完軟件，3小時內(nèi)就能夠根據(jù)教程,，摸索著完成了第一個仿真和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)—橋梁支撐結(jié)構(gòu),。在完成關(guān)鍵步驟后，等待電腦的自動計算,，得到結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化結(jié)果,，以幫助自己調(diào)整設(shè)計。由于是增材制造,，設(shè)計師也不需要太擔(dān)心加工不了的問題,。

筆者上手inspire軟件3小時后的第一個仿真設(shè)計

2. 跨領(lǐng)域借鑒學(xué)習(xí)經(jīng)驗，提升興趣,。
3D打印制造賦予了設(shè)計師巨大的設(shè)計靈活性,，設(shè)計師完全可以跨界學(xué)習(xí)。大量的吸收各行業(yè)的與自家產(chǎn)品類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，將別人好的設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)點運用到自己的產(chǎn)品設(shè)計中,。比如法蘭面的設(shè)計，對于局部結(jié)構(gòu)減重設(shè)計,，完全可以參考借鑒汽車或者航空航天領(lǐng)域當(dāng)中的典型減重結(jié)構(gòu)設(shè)計方法,，大膽的運到到自家的產(chǎn)品設(shè)計中,，如果自己沒有把握，就使用具備基礎(chǔ)仿真功能的軟件做單個功能的受力仿真（而不是全部）,，驗證自己的推測,，單一功能的仿真，也不需要大量的計算資源和時間,。設(shè)計師以此不斷積累新的功能結(jié)構(gòu)輕量化的案例，自然就能讓自己的產(chǎn)品越來越輕量化,，越來越適合于增材制造,。當(dāng)設(shè)計師真正感受到這種自由組合，不受限制的設(shè)計方式帶來的快感以后,，更有動力去主動深入研究對于自家產(chǎn)品的優(yōu)化方法,。一步一步的實現(xiàn)向增材制造設(shè)計思維—DfAM設(shè)計思維的轉(zhuǎn)化。

法蘭面典型“花瓣”減重設(shè)計結(jié)構(gòu)

寫到這里筆者簡單總結(jié)一下上面內(nèi)容闡述的方法：

1. 學(xué)習(xí)具有仿真功能的軟件,，掌握基本仿真能力,，如果產(chǎn)品本身優(yōu)化性要求不高，則優(yōu)先考慮增材制造的新工藝要求,，保證產(chǎn)品開發(fā)周期和生產(chǎn)質(zhì)量,，逐步迭代；

2. 跨行業(yè)領(lǐng)域?qū)W習(xí)別人做的局部單一功能設(shè)計結(jié)構(gòu),，并結(jié)合自身產(chǎn)品參數(shù)做仿真驗證,；

3. 將積累的局部單一功能設(shè)計通過建模融合到現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計中；

4. 不斷積累與迭代自己的產(chǎn)品和積累設(shè)計功能結(jié)構(gòu)設(shè)計,，逐步實現(xiàn)向DfAM設(shè)計思維轉(zhuǎn)化,。

這種方法筆者自己一直使用，在積累到一定量的時候,，一個新產(chǎn)品里只有少部分是新的功能結(jié)構(gòu),，需要花點時間設(shè)計和驗證，這能夠大大減少新產(chǎn)品的設(shè)計周期,，筆者把這種方法稱之為—結(jié)構(gòu)功能融合設(shè)計法 ,。企業(yè)的設(shè)計師以這種方法長期訓(xùn)練，設(shè)計思維將將變得越來越靈活,，產(chǎn)品的增材優(yōu)化度越來越高,，直到達到產(chǎn)品做到真正的全增材制造優(yōu)化。

增長階段—讓3D打印成為企業(yè)的“先鋒部隊”
由于企業(yè)的規(guī)模不同,，設(shè)計師的能力不同,，各企業(yè)在入門階段的發(fā)展時間并不一致。但基于入門階段,，企業(yè)設(shè)計師對于針對自身產(chǎn)品適應(yīng)增材制造技術(shù)的積累,，新產(chǎn)品開發(fā)的速度大大提升,，此時就可以考慮將原來的“特種小分隊”，升級為“先鋒部隊”,，增加企業(yè)在增材制造方面的人力與物力以及市場宣傳的投入,。

1. 這個階段，需要大力宣傳增材制造的產(chǎn)品,，將原有傳統(tǒng)產(chǎn)品與增材制造新產(chǎn)品共同發(fā)力進入市場,，在原有產(chǎn)品老名片的基礎(chǔ)上，讓增材制造產(chǎn)品成為企業(yè)的新名片,。

2. 合理推進增材制造產(chǎn)品在企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品總量的占比,。在傳統(tǒng)制造方式和增材制造設(shè)計方式制作的產(chǎn)品市場化的過程中，根據(jù)市場的反饋,，適應(yīng)性的提高增材制造的產(chǎn)品占比,，避免產(chǎn)能升級太快，出現(xiàn)原有產(chǎn)能不足或者產(chǎn)能過剩的情況發(fā)生,。

3. 原來選擇使用傳統(tǒng)產(chǎn)品的客戶,，嘗試使用新的增材制造產(chǎn)品，建立起客戶對增材制造產(chǎn)品附加價值的認可,。

同樣的,，企業(yè)的產(chǎn)品類型和用戶規(guī)模等都會影響這個過程的發(fā)展時間，企業(yè)可按照上述方式穩(wěn)扎穩(wěn)打,，在傳統(tǒng)的流水線多流程的產(chǎn)品設(shè)計模式中,，逐步融合增材制造產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)模式，逐步實現(xiàn)企業(yè)的轉(zhuǎn)型,。

完成階段—完成轉(zhuǎn)型實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展“新定位”
當(dāng)企業(yè)完成產(chǎn)能轉(zhuǎn)型,，基本意味著公司的設(shè)計人員具備了完整增材制造的設(shè)計思維和設(shè)計經(jīng)驗，企業(yè)的生產(chǎn)流程也是適合于增材制造的管理流程,，還包括非常重要供應(yīng)鏈的管理,，都已經(jīng)實現(xiàn)了過渡。

在掌握了增材制造技術(shù)以后,，針對目前公司已有產(chǎn)品類型的設(shè)計方法和規(guī)則已經(jīng)大量的標準化,，流程化，設(shè)計部門也積累了大量的適合增材設(shè)計制造的設(shè)計經(jīng)驗,，具備了增材制造的設(shè)計思維,。以增材制造的靈活性，這些經(jīng)驗和設(shè)計能力完全可以拓展至與更多與企業(yè)當(dāng)前產(chǎn)品有關(guān)的領(lǐng)域,，或者制造技術(shù)方面相同的跨界行業(yè)領(lǐng)域,，為公司開辟全新的產(chǎn)品發(fā)展路線。

在3D打印行業(yè)從業(yè)多年，一直在3D打印技術(shù)方面以DfAM的設(shè)計思維做實踐運用,。立志推廣3D打印技術(shù)的運用,，希望讓更多人感受到3D打印帶給人們的價值。