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3D打印百科
赋能3D打印附加值创造,如何培养DfAM增材制造设
发表日期:2021-04-26 23:36 浏览次数:137

      千百年来,人类制造技术发展的绝大多数努力集中在了形状塑造上,并且这种趋势一直延续到现代,从石器打磨到陶器塑形,从浇铸青铜器到制作木质家具,从金属切削到单晶硅片光蚀刻,对材料形状的加工长期以来一直是人们赋予制品以功能的主要手段。

     增材制造技术的出现,从根本上改变了传统制造技术与材料、结构、功能相互割裂的发展局面。然而,将传统制造的设计方法与评价标准迁移到增材制造应用的实践中,两者在多方面表现出了冲突性。因此,增材制造技术还需与之匹配的设计理念才能付诸实践。在增材制造应用实践中,如何培养增材制造设计思维(DfAM),成为打开增材制造大门的钥匙。


©安世亚太

为增材制造而设计

block “造物不止于形”是大势所趋

与制造技术相比,人类在发现、利用材料方面的进步要慢许多,第一次工业革命后的一百余年时间里,精炼钢材、有色金属、合金材料、工程陶瓷、人造单晶材料等高性能材料才陆续登上制造业舞台。

与利用材料相比,改进材料物性提升制品性能的研究则更为初级。直到2011年6月美国政府发布材料基因组计划(MGI),对新材料物性与材料配方关系的研究,才开始摆脱研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验的低层次局面。

传统制造方式普遍建立在对单一均值材料的等材、减材制造模式之上,其所能提供干预材料物性的手段很少,制造复杂结构的方法也十分有限,这限制了材料、功能与制造技术的协同发展。增材制造技术的出现,从根本上改变了传统制造技术与材料、结构、功能相互割裂的发展局面。

其原因在于3D打印机在输出物理实体时,采用了从无到有的受控生长方式,其所用的建造物质从低维度的点、线或面形态,以积分原理累积形成最终的三维实体;而在持续累积过程中,3D打印机有充分的时空窗口对建造物质的物性、结构、功能进行从微观到宏观的主动控制,即将形状信息承载至建造物质的同时,亦将物性属性和功能属性施加至建造物质。这使得打印过程结束时,所输出三维实体既承载了宏观的形状信息,也被附加了微观的材料物性信息,使得最终制品的功能得以同步完成。

任何制造过程本质上都是将设计信息承载到物质的过程,增材制造让我们有充分的理由相信“造物不止于形”这一制造理念的可行性。增材制造技术有足够的潜力推动制品性能迎来新一轮重大升级,从而再次赋能制造业。

block 增材制造与正向设计相辅相成

将传统制造的设计方法与评价标准迁移到增材制造应用的实践中,两者在多方面表现出了冲突性。因此,增材技术还需与之匹配的设计理念才能付诸实践。我们把面向增材制造的设计方法称为DfAM(Design for Additive Manufacturing),包括从产品功能需求出发的正向设计、从产品性能改进出发的增材制造再设计、从增材工艺约束出发的制造优化设计等等。

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安世增材团队面向增材制造设计优化的5G 小基站散热器©安世亚太

正向设计是增材制造带来最具“破坏力”的革新。它让设计师抛弃了传统制造手段的束缚,能真正从产品的功能需求出发,设计出功能最优、材料最省、效率最高的结构形式,颠覆传统设计思维的桎梏。

正向设计与增材制造之间存在一种相互促进的辩证关系。正向设计所提供的架构性创新彻底释放了增材制造的价值,因为优化和创新到极致的设计往往也是复杂至极的,而复杂结构正是增材制造的优势所在。反过来讲,增材制造打通了正向设计的传统瓶颈,赋予了正向设计更高自由度,进行颠覆式创新。

block 正向设计在DfAM实践中的关键要素

第一项关键要素是创成式设计。不同于传统的设计方法,创成式设计发挥算法和人工智能的长处,设计师只需要提供必要的设计限制,其余的完全交给算法来创造。

拓扑优化算法是目前常见的设计算法之一。在拓扑优化过程中,我们并不需要对结构的形式做限定,只需要给出结构的受力和约束条件,软件通过特定的拓扑优化算法,按照力的传递路径自动找到最佳的结构形式。

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创成式设计的3D打印鞋底©安世亚太

第二项关键要素是多尺度仿真,因为增材制造过程跨越了广泛的时空尺度。在空间维度,材料的晶体结构在纳米级别,点阵或多孔结构的特征尺寸在毫米级别,而目前最大的增材制造整体结构已经达到十数米的级别。在时间维度,单个熔池的寿命在毫秒级别,单个片层的扫描时间在分钟级别,而整个零件的制造过程长达数天或数周的时间。

宏观结构的力学特性需要根据材料微观结构来计算等效获得;材料微观结构的计算则需要宏观结构的仿真结果作为输入。因此,如何保证在不同时空维度下,增材制造的产品性能都是最优的,是我们面临的一个难题。

block DfAM的完整流程

以最常见的拓扑优化和点阵结构为例,一个完整的面向增材制造的设计流程通常包括如下几个步骤:

Step 1 拓扑优化:确定架构设计方案。

Step 2 结构设计:模型光顺处理、实体化、点阵结构设计等。

Step 3 参数优化:在初始设计方案的基础上进一步优化设计方案。

Step 4 设计验证:对设计方案进行性能和工艺仿真。

在具体的产品设计过程中,很难有案例只经过了这四个步骤就完成了完美的设计方案,其过程往往需要经过多轮迭代优化。

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DfAM完整流程©安世亚太

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点阵结构多尺度分析基本流程©安世亚太

block 如何培养DfAM设计思维

在实现材尽其能、物尽其用,释放复杂成形能力的表象下,增材制造的真正价值在于回归设计本源,回归产品功能,重塑增材思维,实现造物不止于形的造物革命。作为新一代的物质生产技术,它将与新一代信息技术深度融合,成为第四次工业革命的核心技术引擎。

但是,目前人们对于增材制造这一新生技术的认识还处于初级极端,很少站在系统高度统一材料、工艺、设计、性能、功能等要素,造成增材制造各要素之间各自为政、严重脱节、甚至相互割裂对立的现实局面。加速增材制造技术大规模商用化的关键,是站在巨人的肩膀上学习增材设计,缩短学习曲线,避免犯重复的错误。

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基于增材思维的先进设计与智能制造©安世亚太

block DfAM设计专著

近期,由安世亚太携手机械工业出版社翻译、出版了《增材制造设计(DfAM)指南》一书,该书的作者是瑞典隆德大学的三位学者。

《增材制造设计(DfAM)指南》一书就如何面向增材工艺设计零组件以获取成本和性能的最大收益,提供了详尽的指南和丰富的案例,包括增材制造导论、增材制造工艺、增材设计战略、增材设计分析优化工具、零件合并准则、增材工艺工夹具设计准则、面向聚合物和金属的增材设计、后处理、以及增材制造的健康安全和零件认证、增材制造的未来等章节。

作为全球第一本的增材设计专著,本书中译本将为我国增材产业从业者、工业产品研发设计、工艺和制造人员,带来全方位的以增材思维驱动的增材设计细节知识和工程应用经验分享。

4月22日,机械工业出版社华章分社将联合安世亚太,围绕着《增材制造设计(DfAM)指南》一书所诠释的增材制造设计,开展线上分享主题活动。

欢迎关注增材技术发展,有增材技术应用需求的企业专业研发技术人员及管理者参与线上分享会,共同领略被DfAM释放潜能的增材制造技术,将为创新与制造发挥怎样的价值。