基于正向設計的數(shù)字化研制——增材制造體系解讀

作者：田鋒
來源：安世亞太

“基于正向設計的數(shù)字化研制”體系是針對中國新工業(yè)體系建設中遇到的若干問題展開的研究成果而形成的技術體系的總結。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，分別是正向設計、高端裝備和新工業(yè)品。我們把正向設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，對產品設計影響巨大，能夠釋放工業(yè)品的無限創(chuàng)新潛力，讓全新型工業(yè)品的產生具有無限空間。

增材正向設計
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(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、正向設計和增材制造之間相生相長、生生不息的辯證關系

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，因為優(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(tǒng)產品是一種浪費，不僅不能反映增材制造作為顛覆式技術的優(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。

反過來講，增材制造打通了正向設計的傳統(tǒng)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，理由就是你的產品是很創(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，不怕復雜，不論設計多么創(chuàng)新和復雜，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。

在增材正向設計中，有幾項需要關注的特別要素。第一項是創(chuàng)成式設計。創(chuàng)成式設計方法不同于傳統(tǒng)的設計方法，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，也不希望人做干預，因為人的思維定式缺陷可能會妨礙設計創(chuàng)新。我們只需要提供必要的設計限制，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替代正向設計和創(chuàng)新，但它是對人們大腦和眼界的大幅度擴展。

圖2. 增材正向設計中的特別要素

增材正向設計的第二項特別要素是多尺度仿真。仿真本身是正向設計中很正常的要求，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，雖然是增材制造領域的新進入者，但卻具有領先優(yōu)勢的原因。

但在增材制造領域，仿真有個難題，那就是多尺度問題。用增材思維來看傳統(tǒng)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(tǒng)制造產品都有50%甚至更多的材料是冗余的。自然界的生物經過數(shù)億年的進化，都把結構優(yōu)化到極致，絕不會生長一點多余的材料。這些結構，譬如樹枝或樹葉，他們都是具有細小紋理的多孔結構。在傳統(tǒng)制造世界，這種結構模式是不可想象的，但在數(shù)字化制造（增材制造）世界是再正常不過。但對這種結構的仿真難度很大。我們需要確認宏觀結構和微觀結構都是最優(yōu)的，但在當前的仿真技術之下，兩種尺度的結構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果。宏觀結構的力學特性需要根據微觀結構來計算結果等效獲得，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(lián)工作是增材仿真過程的重點。

增材正向設計的第三項關鍵技術是架構優(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。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，再結合創(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。

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備和周邊設備體系組成，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。我們堅決反對用增材制造手段來制造傳統(tǒng)產品，至少要對傳統(tǒng)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。

我們不僅給工業(yè)體系提供正向設計技術、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，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)軟件與先進設計研究院常務副院長，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、管理與咨詢經歷，為近百家企業(yè)提供研發(fā)體系規(guī)劃、建設和研發(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、仿真體系建設項目總設計師，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》。