增材制造到底顛覆了什么？

來(lái)源：DT新材料

增材制造（又稱(chēng)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(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線(xiàn)、工廠(chǎng)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�。┘夹g(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(dòng)新一輪工業(yè)革命的原動(dòng)力，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。

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

先說(shuō)結(jié)論，增材制造名為“制造”，而顛覆的反倒是“設(shè)計(jì)”，進(jìn)而革了“舊工業(yè)品”的命。在我們看來(lái)，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(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有巨大影響，從而釋放工業(yè)品的無(wú)限創(chuàng)新潛力，讓全新型工業(yè)品的產(chǎn)生具有無(wú)限空間。

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(xiàn)，工業(yè)軟件通過(guò)支撐正向設(shè)計(jì)，在全生命周期支撐增材制造過(guò)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(zhǎng)的關(guān)系，具有生生不息的特征，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(guò)程，如圖1所示。

圖1  工業(yè)軟件、正向設(shè)計(jì)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(jì)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(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。優(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(shì)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(gè)顛覆式技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，反倒會(huì)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(shì)。所以離開(kāi)了正向設(shè)計(jì)的增材制造就像鳥(niǎo)兒折去了翅膀。

反過(guò)來(lái)，增材制造打通了正向設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)瓶頸。在過(guò)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(guò)程，那就是工藝和制造過(guò)程。這個(gè)過(guò)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，理由就是你的設(shè)計(jì)是很創(chuàng)新，但我制造不出來(lái)。這往往會(huì)給設(shè)計(jì)人員一種懷才不遇的挫折感。但是在增材制造時(shí)代，也就是數(shù)字化制造時(shí)代，不論設(shè)計(jì)多么創(chuàng)新，結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，都能制造出來(lái)。增材制造實(shí)際上賦予了正向設(shè)計(jì)無(wú)限自由，只需要從需求和功能出發(fā)來(lái)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。

在基于增材思維的正向設(shè)計(jì)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(jì)。這種設(shè)計(jì)方法完全不同于傳統(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)方法完全發(fā)揮算法和人工智能的優(yōu)勢(shì)，不需要人做過(guò)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(huì)妨礙設(shè)計(jì)創(chuàng)新。我們只需要給出必要的設(shè)計(jì)要求，其余的完全交給算法來(lái)創(chuàng)造。這種新型的設(shè)計(jì)方法雖然不能完全替代正向設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，但是它對(duì)人們大腦和眼界給予大幅度擴(kuò)展。

圖2  增材正向設(shè)計(jì)中的特別要素

基于增材思維的正向設(shè)計(jì)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(jì)中的常用技術(shù)，特別是對(duì)于增材制造所提供的無(wú)限創(chuàng)新空間來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)本身沒(méi)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(shì)。但在增材領(lǐng)域，仿真有個(gè)難題，那就是多尺度問(wèn)題。用增材思維來(lái)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(shuō)，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(guò)數(shù)億年的進(jìn)化，都把結(jié)構(gòu)優(yōu)化到極致，若非病變?cè)錾�，絕不會(huì)生長(zhǎng)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(shù)枝或樹(shù)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(guò)。但對(duì)這種結(jié)構(gòu)的仿真難度極大，我們希望通過(guò)仿真來(lái)找到宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)都是最優(yōu)的設(shè)計(jì)，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(gè)模型中出現(xiàn)，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)的計(jì)算結(jié)果來(lái)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(guò)程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

基于增材思維的正向設(shè)計(jì)的第三項(xiàng)特別之處是架構(gòu)優(yōu)化，在其他領(lǐng)域稱(chēng)為拓?fù)鋬?yōu)化。我更愿意將它稱(chēng)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，也是最具價(jià)值的工作。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。然后結(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。

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(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(lái)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。

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(gè)新型工業(yè)品案例（圖3）。過(guò)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(jiàn)到，鋼鐵俠全身便裝滿(mǎn)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(jiàn)慣。

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