增材制造到底顛覆了什么？

來源：DT新材料

增材制造（又稱3D打印）是以數字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業(yè)鏈組合產生深刻影響，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術。


另有文獻表示，增材制造（3D打�。┘夹g作為具有前沿性、先導性的新興智能制造技術，正在使傳統生產方式和生產工藝發(fā)生深刻變革，被認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注。

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

先說結論，增材制造名為“制造”，而顛覆的反倒是“設計”，進而革了“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工業(yè)體系的賦能技術，特別是對產品設計具有巨大影響，從而釋放工業(yè)品的無限創(chuàng)新潛力，讓全新型工業(yè)品的產生具有無限空間。

圍繞正向設計，工業(yè)軟件和增材制造之間具有一種奇妙的哲學關系。以正向設計為核心和主線，工業(yè)軟件通過支撐正向設計，在全生命周期支撐增材制造過程的完成。在數字化的世界里，研發(fā)和制造不是先后串行和跟隨序貫關系，數字化研發(fā)和數字化制造之間是一種相生相長的關系，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、正向設計和增材制造之間的辯證關系

這種哲學關系的存在，是因為正向設計與增材制造之間本身就也存在一種相互促進的辯證關系。首先，正向設計所提供的架構性創(chuàng)新徹底釋放了增材制造的價值。優(yōu)化和創(chuàng)新到極致的設計，其結構往往也是復雜至極的，而不怕復雜正是增材制造的優(yōu)勢所在。用增材制造技術加工傳統產品完全是一種浪費，不僅不能反映增材制造這樣一個顛覆式技術的優(yōu)勢，反倒會給人一種“多此一舉”的負面印象，讓人們看到的完全是這種技術在速度和成本上的劣勢。所以離開了正向設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計的傳統瓶頸。在過去，正向設計如果想順利走完全程，一直都忌憚于一個關鍵過程，那就是工藝和制造過程。這個過程可能會對一個正向設計所產生的創(chuàng)新方案一票否決，理由就是你的設計是很創(chuàng)新，但我制造不出來。這往往會給設計人員一種懷才不遇的挫折感。但是在增材制造時代，也就是數字化制造時代，不論設計多么創(chuàng)新，結構多么復雜，都能制造出來。增材制造實際上賦予了正向設計無限自由，只需要從需求和功能出發(fā)來進行產品設計，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計如虎添翼。

在基于增材思維的正向設計中，有一些不同以往的特別之處（圖2）。第一項特別之處是創(chuàng)成式設計。這種設計方法完全不同于傳統的設計方法，使用的工具軟件也不是傳統的CAD軟件。創(chuàng)成式設計方法完全發(fā)揮算法和人工智能的優(yōu)勢，不需要人做過多干預，也不希望人做干預，因為人的思維定式可能會妨礙設計創(chuàng)新。我們只需要給出必要的設計要求，其余的完全交給算法來創(chuàng)造。這種新型的設計方法雖然不能完全替代正向設計和創(chuàng)新，但是它對人們大腦和眼界給予大幅度擴展。

圖2  增材正向設計中的特別要素

基于增材思維的正向設計的第二項特別之處是多尺度仿真。仿真本身是正向設計中的常用技術，特別是對于增材制造所提供的無限創(chuàng)新空間來說，設計本身沒有必須遵守的規(guī)范和標準，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，雖然是增材制造領域的新進入者，但卻具有得天獨厚的領先優(yōu)勢。但在增材領域，仿真有個難題，那就是多尺度問題。用增材思維來看傳統制造的產品，其特點是傻大笨粗�？梢钥隙ǖ卣f，任何一款傳統制造產品都有50%甚至更多材料的冗余。自然界的生物經過數億年的進化，都把結構優(yōu)化到極致，若非病變增生，絕不會生長一點多余的材料。本進化特性使得自然界的結構，譬如樹枝或樹葉，都是具有細小紋理的多孔結構。在傳統制造世界，這種結構模式是不可想象的，但在增材制造世界是再正常不過。但對這種結構的仿真難度極大，我們希望通過仿真來找到宏觀結構和微觀結構都是最優(yōu)的設計，但在當前仿真技術之下，兩種尺度的結構不能在同一個模型中出現，還要在不同的計算中傳承對方的計算結果。宏觀結構的力學特性需要根據微觀結構的計算結果來等效獲得，微觀結構的計算則需要宏觀結構的計算結果作為輸入。這些關聯工作是增材仿真過程的重點和難點。

基于增材思維的正向設計的第三項特別之處是架構優(yōu)化，在其他領域稱為拓撲優(yōu)化。我更愿意將它稱為架構優(yōu)化，因為在正向設計體系中，架構的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作，也是最具價值的工作。在架構優(yōu)化中，我們并不需要對結構的形式做限定，只需要給出結構的受力和約束條件，軟件可以按照力的傳遞路徑自動找到最佳的結構形式。然后結合創(chuàng)成式設計和多尺度仿真，對這個結構形式進行微觀設計和仿真。

增材制造的結果必須是產生新型工業(yè)品。增材制造的本質是：基于增材思維對現在的工業(yè)體系進行賦能、改造甚至重構。我們堅決反對用增材制造手段來制造傳統產品，至少要對傳統產品進行再設計，甚至進行架構性創(chuàng)新，這將產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

微型渦輪機就是一個新型工業(yè)品案例（圖3）。過去的渦輪機械往往都是大型設備，安裝在飛機這樣的大型裝備上。如此小型的渦輪機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，還具有超強攻擊力。傳統的研發(fā)和制造方式應對這么小型且高性能的渦輪機是很難想象的。正向設計和增材制造相結合產生的巨大創(chuàng)新空間，將讓這種新型工業(yè)產品變得司空見慣。

信息來源： 中國機械工程學會，DT新材料整理