基于正向設(shè)計的數(shù)字化研制——增材制造體系解讀

作者：田鋒
來源：安世亞太

“基于正向設(shè)計的數(shù)字化研制”體系是針對中國新工業(yè)體系建設(shè)中遇到的若干問題展開的研究成果而形成的技術(shù)體系的總結(jié),。該體系包括工業(yè)軟件,、增材制造,、工業(yè)互聯(lián)和數(shù)字孿生體四個分體系,。本文重點介紹“基于正向設(shè)計的數(shù)字化研制”第二個分體系——增材制造體系,。

增材制造體系包括三個子體系,，分別是正向設(shè)計,、高端裝備和新工業(yè)品,。我們把正向設(shè)計定義為增材制造體系中的一個子體系,，是因為增材制造絕不僅僅提供了一種新的制造方式,，更是提供了一種突破傳統(tǒng)工業(yè)體系的賦能技術(shù),，對產(chǎn)品設(shè)計影響巨大，能夠釋放工業(yè)品的無限創(chuàng)新潛力,，讓全新型工業(yè)品的產(chǎn)生具有無限空間,。

增材正向設(shè)計
圍繞正向設(shè)計，工業(yè)軟件和增材制造之間具有一種奇妙的哲學關(guān)系,。以正向設(shè)計為核心和主線,，工業(yè)軟件通過支撐正向設(shè)計，在全生命周期支撐增材制造過程的完成,。在數(shù)字化的世界里,，研發(fā)和制造不是先后串行和跟隨序貫關(guān)系，數(shù)字化研發(fā)和數(shù)字化制造之間是一種相生相長,、生生不息的特征,，兩者之間在任何時候都是相輔相成、相互輸送價值的過程,。

      圖1. 工業(yè)軟件,、正向設(shè)計和增材制造之間相生相長、生生不息的辯證關(guān)系

這種哲學關(guān)系的存在,，是因為正向設(shè)計與增材制造之間本身就存在一種相互促進的辯證關(guān)系,。首先，正向設(shè)計所提供的架構(gòu)性創(chuàng)新徹底釋放了增材制造的價值,，因為優(yōu)化和創(chuàng)新到極致的設(shè)計,，其結(jié)構(gòu)往往也是復(fù)雜至極的，而不怕復(fù)雜正是增材制造的優(yōu)勢所在,。用增材制造技術(shù)加工傳統(tǒng)產(chǎn)品是一種浪費,，不僅不能反映增材制造作為顛覆式技術(shù)的優(yōu)勢,，反倒會給人一種多此一舉的負面影響，讓人們看到的完全是這種技術(shù)在速度和成本上的劣勢,。所以離開了正向設(shè)計的增材制造就像鳥兒折去了翅膀,。

反過來講，增材制造打通了正向設(shè)計的傳統(tǒng)瓶頸,。在過去,，正向設(shè)計如果想順利走完全程，一直都忌憚于一個關(guān)鍵過程,，那就是工藝和制造過程,。這個過程可能會對一個正向設(shè)計所產(chǎn)生的創(chuàng)新方案一票否決，理由就是你的產(chǎn)品是很創(chuàng)新,，但我制造不出來,。這往往會給設(shè)計人員一種懷才不遇的感覺。但是在增材制造時代,，也就是數(shù)字化制造時代,，不怕復(fù)雜，不論設(shè)計多么創(chuàng)新和復(fù)雜,，都能制造出來,。增材制造實際上賦予了正向設(shè)計無限自由，只需要從需求和功能出發(fā)來進行產(chǎn)品設(shè)計,，而不需要考慮制造的約束,，完全可以放飛自我，進行顛覆式創(chuàng)新,。因此,，增材制造相當于讓正向設(shè)計如虎添翼。

在增材正向設(shè)計中,，有幾項需要關(guān)注的特別要素,。第一項是創(chuàng)成式設(shè)計。創(chuàng)成式設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法,，使用的工具軟件也不是傳統(tǒng)的CAD軟件,。創(chuàng)成式設(shè)計方法發(fā)揮算法和人工智能的長處，不需要人做過多干預(yù),，也不希望人做干預(yù),，因為人的思維定式缺陷可能會妨礙設(shè)計創(chuàng)新。我們只需要提供必要的設(shè)計限制,，其余的完全交給算法來創(chuàng)造,。這種新型的設(shè)計方法雖然不能替代正向設(shè)計和創(chuàng)新，但它是對人們大腦和眼界的大幅度擴展,。

圖2. 增材正向設(shè)計中的特別要素

增材正向設(shè)計的第二項特別要素是多尺度仿真,。仿真本身是正向設(shè)計中很正常的要求,，特別是對于增材制造所提供的無限創(chuàng)新空間來說，設(shè)計本身是沒有規(guī)范和標準的,，因此仿真便成了最重要的工具,，這也是為什么以仿真起家的安世亞太公司，雖然是增材制造領(lǐng)域的新進入者,，但卻具有領(lǐng)先優(yōu)勢的原因,。

但在增材制造領(lǐng)域，仿真有個難題,，那就是多尺度問題,。用增材思維來看傳統(tǒng)制造的產(chǎn)品，其特點是傻大笨粗,�,？梢钥隙ǖ卣f，任何一款傳統(tǒng)制造產(chǎn)品都有50%甚至更多的材料是冗余的,。自然界的生物經(jīng)過數(shù)億年的進化,，都把結(jié)構(gòu)優(yōu)化到極致，絕不會生長一點多余的材料,。這些結(jié)構(gòu)，譬如樹枝或樹葉,，他們都是具有細小紋理的多孔結(jié)構(gòu),。在傳統(tǒng)制造世界，這種結(jié)構(gòu)模式是不可想象的,，但在數(shù)字化制造（增材制造）世界是再正常不過,。但對這種結(jié)構(gòu)的仿真難度很大。我們需要確認宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)都是最優(yōu)的,，但在當前的仿真技術(shù)之下,，兩種尺度的結(jié)構(gòu)不能在同一個模型中出現(xiàn)，但還要在不同的計算中傳承對方的計算結(jié)果,。宏觀結(jié)構(gòu)的力學特性需要根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)來計算結(jié)果等效獲得,，微觀結(jié)構(gòu)的計算則需要宏觀結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果作為輸入。這些關(guān)聯(lián)工作是增材仿真過程的重點,。

增材正向設(shè)計的第三項關(guān)鍵技術(shù)是架構(gòu)優(yōu)化,，在其他領(lǐng)域稱為拓撲優(yōu)化，我更愿意將它稱為架構(gòu)優(yōu)化,，因為在正向設(shè)計體系中,，架構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作。在架構(gòu)優(yōu)化中,，我們并不需要對結(jié)構(gòu)的形式做限定,，只需要給出結(jié)構(gòu)的受力和約束條件,，軟件可以按照力的傳遞路徑自動找到最佳的結(jié)構(gòu)形式，再結(jié)合創(chuàng)成式設(shè)計和多尺度仿真,，對這個結(jié)構(gòu)形式進行微觀設(shè)計和仿真,。

高端裝備
這里所言的高端裝備指的是用于增材制造的系統(tǒng)級裝備、核心裝備和組件,、增材工藝和材料等,。系統(tǒng)級的裝備包括有多個打印設(shè)備和周邊設(shè)備體系組成，也包括單一打印整機,，這是我們通常提供給工業(yè)界的系統(tǒng)級產(chǎn)品,。

核心裝備和組件則指的是我們有特色的核心部件，這些核心部件也可以作為獨立產(chǎn)品供其他的裝備制造企業(yè)使用,。增材工藝和材料特性往往是成對出現(xiàn),，因為一項工藝的可行性與材料特性有巨大關(guān)系，我們可以提供最優(yōu)化的工藝包給用戶或者與其他裝備制造企業(yè)合作,。這些各級裝備的細節(jié),，我們將會在未來的文章中做詳細介紹。


新工業(yè)品
我們對增材制造本質(zhì)的理解是：基于增材思維對現(xiàn)在的工業(yè)體系進行賦能,、改造甚至重構(gòu),。我們堅決反對用增材制造手段來制造傳統(tǒng)產(chǎn)品，至少要對傳統(tǒng)產(chǎn)品進行再設(shè)計,，甚至進行架構(gòu)性創(chuàng)新,，這將產(chǎn)生完全不同于以往的、極度創(chuàng)新的新工業(yè)品,。

我們不僅給工業(yè)體系提供正向設(shè)計技術(shù),、增材制造裝備，還要和各行業(yè)的龍頭企業(yè)合作研發(fā)完全創(chuàng)新型的工業(yè)品,。微型渦輪機就是一個案例,。微型渦輪機是安世亞太和航空發(fā)動機行業(yè)的某研究院合作研發(fā)的一款新型渦輪機。這樣的小型渦輪機可以在科幻片中見到,，鋼鐵俠全身便裝滿了這種裝備,，使得他不僅能上天下海入地，還具有超強攻擊力,。傳統(tǒng)的研發(fā)和制造方式應(yīng)對這么小型且高性能的渦輪機是很難想象的,，正向設(shè)計和增材制造相結(jié)合，就變得具有巨大的創(chuàng)新空間,，什么都成為了可能,。


作者簡介
田鋒，安世亞太公司高級副總裁,，國家工業(yè)軟件與先進設(shè)計研究院常務(wù)副院長,，北京市綜合仿真實驗室主任,，數(shù)字孿生體實驗室主任。

作者擁有二十多年研發(fā),、技術(shù),、管理與咨詢經(jīng)歷，為近百家企業(yè)提供研發(fā)體系規(guī)劃,、建設(shè)和研發(fā)信息化咨詢,，是中國航空三大主機所、船舶工業(yè)某研究院,、中國中車等企業(yè)的精益研發(fā),、知識工程、仿真體系建設(shè)項目總設(shè)計師,，著有工業(yè)與智能制造熱門圖書《精益研發(fā)2.0》,、《知識工程2.0》、《制造業(yè)知識工程》和《苦旅尋真》,。