增材制造到底顛覆了什么？

來源：DT新材料

增材制造（又稱3D打�。┦且詳�(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)，將對傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻影響，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)。


另有文獻(xiàn)表示，增材制造（3D打印）技術(shù)作為具有前沿性、先導(dǎo)性的新興智能制造技術(shù)，正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革，被認(rèn)為是推動新一輪工業(yè)革命的原動力，引起了世界各國的廣泛關(guān)注。

請注意以上文獻(xiàn)中的兩個用詞：“顛覆性”和“革命”。增材制造到底顛覆了什么？革了誰的命？

先說結(jié)論，增材制造名為“制造”，而顛覆的反倒是“設(shè)計”，進(jìn)而革了“舊工業(yè)品”的命。在我們看來，它絕不僅僅是提供了一種新的制造方式，而是提供了一種突破傳統(tǒng)工業(yè)體系的賦能技術(shù)，特別是對產(chǎn)品設(shè)計具有巨大影響，從而釋放工業(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。

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(xué)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的關(guān)系，具有生生不息的特征，兩者之間在任何時候都是相輔相成、相互輸送價值的過程，如圖1所示。

圖1  工業(yè)軟件、正向設(shè)計和增材制造之間的辯證關(guān)系

這種哲學(xué)關(guān)系的存在，是因?yàn)檎�向設(shè)計與增材制造之間本身就也存在一種相互促進(jìn)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。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)品完全是一種浪費(fèi)，不僅不能反映增材制造這樣一個顛覆式技術(shù)的優(yōu)勢，反倒會給人一種“多此一舉”的負(fù)面印象，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，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，理由就是你的設(shè)計是很創(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挫折感。但是在增材制造時代，也就是數(shù)字化制造時代，不論設(shè)計多么創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)多么復(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，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)計如虎添翼。

在基于增材思維的正向設(shè)計中，有一些不同以往的特別之處（圖2）。第一項(xiàng)特別之處是創(chuàng)成式設(shè)計。這種設(shè)計方法完全不同于傳統(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)計方法完全發(fā)揮算法和人工智能的優(yōu)勢，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定式可能會妨礙設(shè)計創(chuàng)新。我們只需要給出必要的設(shè)計要求，其余的完全交給算法來創(chuàng)造。這種新型的設(shè)計方法雖然不能完全替代正向設(shè)計和創(chuàng)新，但是它對人們大腦和眼界給予大幅度擴(kuò)展。

圖2  增材正向設(shè)計中的特別要素

基于增材思維的正向設(shè)計的第二項(xiàng)特別之處是多尺度仿真。仿真本身是正向設(shè)計中的常用技術(shù)，特別是對于增材制造所提供的無限創(chuàng)新空間來說，設(shè)計本身沒有必須遵守的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，因此仿真便成了最重要的工具。這也是為什么那些以仿真起家的公司，雖然是增材制造領(lǐng)域的新進(jìn)入者，但卻具有得天獨(dú)厚的領(lǐng)先優(yōu)勢。但在增材領(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(diǎn)是傻大笨粗。可以肯定地說，任何一款傳統(tǒng)制造產(chǎn)品都有50%甚至更多材料的冗余。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，若非病變增生，絕不會生長一點(diǎn)多余的材料。本進(jìn)化特性使得自然界的結(jié)構(gòu)，譬如樹枝或樹葉，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)的仿真難度極大，我們希望通過仿真來找到宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)都是最優(yōu)的設(shè)計，但在當(dāng)前仿真技術(shù)之下，兩種尺度的結(jié)構(gòu)不能在同一個模型中出現(xiàn)，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(xué)特性需要根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果來等效獲得，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(diǎn)和難點(diǎn)。

基于增材思維的正向設(shè)計的第三項(xiàng)特別之處是架構(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)計體系中，架構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作，也是最具價值的工作。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。然后結(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(jìn)行微觀設(shè)計和仿真。

增材制造的結(jié)果必須是產(chǎn)生新型工業(yè)品。增材制造的本質(zhì)是：基于增材思維對現(xiàn)在的工業(yè)體系進(jìn)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(jìn)行再設(shè)計，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。

圖3  基于增材思維的新工業(yè)品研發(fā)——微型渦輪機(jī)

微型渦輪機(jī)就是一個新型工業(yè)品案例（圖3）。過去的渦輪機(jī)械往往都是大型設(shè)備，安裝在飛機(jī)這樣的大型裝備上。如此小型的渦輪機(jī)常常是在科幻片中見到，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)對這么小型且高性能的渦輪機(jī)是很難想象的。正向設(shè)計和增材制造相結(jié)合產(chǎn)生的巨大創(chuàng)新空間，將讓這種新型工業(yè)產(chǎn)品變得司空見慣。

信息來源： 中國機(jī)械工程學(xué)會，DT新材料整理