基于正向設(shè)計(jì)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(jì)的數(shù)字化研制”體系是針對(duì)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(gè)分體系。本文重點(diǎn)介紹“基于正向設(shè)計(jì)的數(shù)字化研制”第二個(gè)分體系——增材制造體系。

增材制造體系包括三個(gè)子體系，分別是正向設(shè)計(jì)、高端裝備和新工業(yè)品。我們把正向設(shè)計(jì)定義為增材制造體系中的一個(gè)子體系，是因?yàn)樵霾闹圃旖^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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)
圍繞正向設(shè)計(jì)，工業(yè)軟件和增材制造之間具有一種奇妙的哲學(xué)關(guān)系。以正向設(shè)計(jì)為核心和主線，工業(yè)軟件通過支撐正向設(shè)計(jì)，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(shí)候都是相輔相成、相互輸送價(jià)值的過程。

      圖1. 工業(yè)軟件、正向設(shè)計(jì)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(xué)關(guān)系的存在，是因?yàn)檎�向設(shè)計(jì)與增材制造之間本身就存在一種相互促進(jìn)的辯證關(guān)系。首先，正向設(shè)計(jì)所提供的架構(gòu)性創(chuàng)新徹底釋放了增材制造的價(jià)值，因?yàn)閮?yōu)化和創(chuàng)新到極致的設(shè)計(jì)，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(fèi)，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(huì)給人一種多此一舉的負(fù)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(jì)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(jì)的傳統(tǒng)瓶頸。在過去，正向設(shè)計(jì)如果想順利走完全程，一直都忌憚?dòng)谝粋�(gè)關(guān)鍵過程，那就是工藝和制造過程。這個(gè)過程可能會(huì)對(duì)一個(gè)正向設(shè)計(jì)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(huì)給設(shè)計(jì)人員一種懷才不遇的感覺。但是在增材制造時(shí)代，也就是數(shù)字化制造時(shí)代，不怕復(fù)雜，不論設(shè)計(jì)多么創(chuàng)新和復(fù)雜，都能制造出來。增材制造實(shí)際上賦予了正向設(shè)計(jì)無限自由，只需要從需求和功能出發(fā)來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而不需要考慮制造的約束，完全可以放飛自我，進(jìn)行顛覆式創(chuàng)新。因此，增材制造相當(dāng)于讓正向設(shè)計(jì)如虎添翼。

在增材正向設(shè)計(jì)中，有幾項(xiàng)需要關(guān)注的特別要素。第一項(xiàng)是創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)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?yàn)槿说乃季S定式缺陷可能會(huì)妨礙設(shè)計(jì)創(chuàng)新。我們只需要提供必要的設(shè)計(jì)限制，其余的完全交給算法來創(chuàng)造。這種新型的設(shè)計(jì)方法雖然不能替代正向設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，但它是對(duì)人們大腦和眼界的大幅度擴(kuò)展。

圖2. 增材正向設(shè)計(jì)中的特別要素

增材正向設(shè)計(jì)的第二項(xiàng)特別要素是多尺度仿真。仿真本身是正向設(shè)計(jì)中很正常的要求，特別是對(duì)于增材制造所提供的無限創(chuàng)新空間來說，設(shè)計(jì)本身是沒有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(gè)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(diǎn)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(jìn)化，都把結(jié)構(gòu)優(yōu)化到極致，絕不會(huì)生長一點(diǎn)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(xì)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(duì)這種結(jié)構(gòu)的仿真難度很大。我們需要確認(rèn)宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)都是最優(yōu)的，但在當(dāng)前的仿真技術(shù)之下，兩種尺度的結(jié)構(gòu)不能在同一個(gè)模型中出現(xiàn)，但還要在不同的計(jì)算中傳承對(duì)方的計(jì)算結(jié)果。宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性需要根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)來計(jì)算結(jié)果等效獲得，微觀結(jié)構(gòu)的計(jì)算則需要宏觀結(jié)構(gòu)的計(jì)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(diǎn)。

增材正向設(shè)計(jì)的第三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是架構(gòu)優(yōu)化，在其他領(lǐng)域稱為拓?fù)鋬?yōu)化，我更愿意將它稱為架構(gòu)優(yōu)化，因?yàn)樵谡�向設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)找到最佳的結(jié)構(gòu)形式，再結(jié)合創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和多尺度仿真，對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行微觀設(shè)計(jì)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(jí)裝備、核心裝備和組件、增材工藝和材料等。系統(tǒng)級(jí)的裝備包括有多個(gè)打印設(shè)備和周邊設(shè)備體系組成，也包括單一打印整機(jī)，這是我們通常提供給工業(yè)界的系統(tǒng)級(jí)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(dú)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(duì)出現(xiàn)，因?yàn)橐豁?xiàng)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(jí)裝備的細(xì)節(jié)，我們將會(huì)在未來的文章中做詳細(xì)介紹。


新工業(yè)品
我們對(duì)增材制造本質(zhì)的理解是：基于增材思維對(duì)現(xiàn)在的工業(yè)體系進(jìn)行賦能、改造甚至重構(gòu)。我們堅(jiān)決反對(duì)用增材制造手段來制造傳統(tǒng)產(chǎn)品，至少要對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)，甚至進(jìn)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(jì)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(jī)就是一個(gè)案例。微型渦輪機(jī)是安世亞太和航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的某研究院合作研發(fā)的一款新型渦輪機(jī)。這樣的小型渦輪機(jī)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(qiáng)攻擊力。傳統(tǒng)的研發(fā)和制造方式應(yīng)對(duì)這么小型且高性能的渦輪機(jī)是很難想象的，正向設(shè)計(jì)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(jí)副總裁，國家工業(yè)軟件與先進(jìn)設(shè)計(jì)研究院常務(wù)副院長，北京市綜合仿真實(shí)驗(yàn)室主任，數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)工程、仿真體系建設(shè)項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師，著有工業(yè)與智能制造熱門圖書《精益研發(fā)2.0》、《知識(shí)工程2.0》、《制造業(yè)知識(shí)工程》和《苦旅尋真》。