基于正向设计的数字化研制——增材制造体系解读

作者：田锋
来源：安世亚太

“基于正向设计的数字化研制”体系是针对中国新工业体系建设中遇到的若干问题展开的研究成果而形成的技术体系的总结。该体系包括工业软件、增材制造、工业互联和数字孪生体四个分体系。本文重点介绍“基于正向设计的数字化研制”第二个分体系——增材制造体系。

增材制造体系包括三个子体系，分别是正向设计、高端装备和新工业品。我们把正向设计定义为增材制造体系中的一个子体系，是因为增材制造绝不仅仅提供了一种新的制造方式，更是提供了一种突破传统工业体系的赋能技术，对产品设计影响巨大，能够释放工业品的无限创新潜力，让全新型工业品的产生具有无限空间。

增材正向设计
围绕正向设计，工业软件和增材制造之间具有一种奇妙的哲学关系。以正向设计为核心和主线，工业软件通过支撑正向设计，在全生命周期支撑增材制造过程的完成。在数字化的世界里，研发和制造不是先后串行和跟随序贯关系，数字化研发和数字化制造之间是一种相生相长、生生不息的特征，两者之间在任何时候都是相辅相成、相互输送价值的过程。

      图1. 工业软件、正向设计和增材制造之间相生相长、生生不息的辩证关系

这种哲学关系的存在，是因为正向设计与增材制造之间本身就存在一种相互促进的辩证关系。首先，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，其结构往往也是复杂至极的，而不怕复杂正是增材制造的优势所在。用增材制造技术加工传统产品是一种浪费，不仅不能反映增材制造作为颠覆式技术的优势，反倒会给人一种多此一举的负面影响，让人们看到的完全是这种技术在速度和成本上的劣势。所以离开了正向设计的增材制造就像鸟儿折去了翅膀。

反过来讲，增材制造打通了正向设计的传统瓶颈。在过去，正向设计如果想顺利走完全程，一直都忌惮于一个关键过程，那就是工艺和制造过程。这个过程可能会对一个正向设计所产生的创新方案一票否决，理由就是你的产品是很创新，但我制造不出来。这往往会给设计人员一种怀才不遇的感觉。但是在增材制造时代，也就是数字化制造时代，不怕复杂，不论设计多么创新和复杂，都能制造出来。增材制造实际上赋予了正向设计无限自由，只需要从需求和功能出发来进行产品设计，而不需要考虑制造的约束，完全可以放飞自我，进行颠覆式创新。因此，增材制造相当于让正向设计如虎添翼。

在增材正向设计中，有几项需要关注的特别要素。第一项是创成式设计。创成式设计方法不同于传统的设计方法，使用的工具软件也不是传统的CAD软件。创成式设计方法发挥算法和人工智能的长处，不需要人做过多干预，也不希望人做干预，因为人的思维定式缺陷可能会妨碍设计创新。我们只需要提供必要的设计限制，其余的完全交给算法来创造。这种新型的设计方法虽然不能替代正向设计和创新，但它是对人们大脑和眼界的大幅度扩展。

图2. 增材正向设计中的特别要素

增材正向设计的第二项特别要素是多尺度仿真。仿真本身是正向设计中很正常的要求，特别是对于增材制造所提供的无限创新空间来说，设计本身是没有规范和标准的，因此仿真便成了最重要的工具，这也是为什么以仿真起家的安世亚太公司，虽然是增材制造领域的新进入者，但却具有领先优势的原因。

但在增材制造领域，仿真有个难题，那就是多尺度问题。用增材思维来看传统制造的产品，其特点是傻大笨粗。可以肯定地说，任何一款传统制造产品都有50%甚至更多的材料是冗余的。自然界的生物经过数亿年的进化，都把结构优化到极致，绝不会生长一点多余的材料。这些结构，譬如树枝或树叶，他们都是具有细小纹理的多孔结构。在传统制造世界，这种结构模式是不可想象的，但在数字化制造（增材制造）世界是再正常不过。但对这种结构的仿真难度很大。我们需要确认宏观结构和微观结构都是最优的，但在当前的仿真技术之下，两种尺度的结构不能在同一个模型中出现，但还要在不同的计算中传承对方的计算结果。宏观结构的力学特性需要根据微观结构来计算结果等效获得，微观结构的计算则需要宏观结构的计算结果作为输入。这些关联工作是增材仿真过程的重点。

增材正向设计的第三项关键技术是架构优化，在其他领域称为拓扑优化，我更愿意将它称为架构优化，因为在正向设计体系中，架构的创新和优化是首要工作。在架构优化中，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，软件可以按照力的传递路径自动找到最佳的结构形式，再结合创成式设计和多尺度仿真，对这个结构形式进行微观设计和仿真。

高端装备
这里所言的高端装备指的是用于增材制造的系统级装备、核心装备和组件、增材工艺和材料等。系统级的装备包括有多个打印设备和周边设备体系组成，也包括单一打印整机，这是我们通常提供给工业界的系统级产品。

核心装备和组件则指的是我们有特色的核心部件，这些核心部件也可以作为独立产品供其他的装备制造企业使用。增材工艺和材料特性往往是成对出现，因为一项工艺的可行性与材料特性有巨大关系，我们可以提供最优化的工艺包给用户或者与其他装备制造企业合作。这些各级装备的细节，我们将会在未来的文章中做详细介绍。


新工业品
我们对增材制造本质的理解是：基于增材思维对现在的工业体系进行赋能、改造甚至重构。我们坚决反对用增材制造手段来制造传统产品，至少要对传统产品进行再设计，甚至进行架构性创新，这将产生完全不同于以往的、极度创新的新工业品。

我们不仅给工业体系提供正向设计技术、增材制造装备，还要和各行业的龙头企业合作研发完全创新型的工业品。微型涡轮机就是一个案例。微型涡轮机是安世亚太和航空发动机行业的某研究院合作研发的一款新型涡轮机。这样的小型涡轮机可以在科幻片中见到，钢铁侠全身便装满了这种装备，使得他不仅能上天下海入地，还具有超强攻击力。传统的研发和制造方式应对这么小型且高性能的涡轮机是很难想象的，正向设计和增材制造相结合，就变得具有巨大的创新空间，什么都成为了可能。


作者简介
田锋，安世亚太公司高级副总裁，国家工业软件与先进设计研究院常务副院长，北京市综合仿真实验室主任，数字孪生体实验室主任。

作者拥有二十多年研发、技术、管理与咨询经历，为近百家企业提供研发体系规划、建设和研发信息化咨询，是中国航空三大主机所、船舶工业某研究院、中国中车等企业的精益研发、知识工程、仿真体系建设项目总设计师，著有工业与智能制造热门图书《精益研发2.0》、《知识工程2.0》、《制造业知识工程》和《苦旅寻真》。