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?基于正向設(shè)計的數(shù)字化研制——增材制造體系解讀

來源:田鋒 發(fā)布時間:2020 / 08 / 26

增材制造體系包括三個子體系,分別是正向設(shè)計、高端裝備和新工業(yè)品。我們把正向設(shè)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(shù),對產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)生具有無限空間。


增材正向設(shè)計


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、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。



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??????工業(yè)軟件、正向設(shè)計和增材制造之間相生相長、生生不息的辯證關(guān)系


這種哲學(xué)關(guān)系的存在,是因為正向設(shè)計與增材制造之間本身就存在一種相互促進的辯證關(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,因為優(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)品是一種浪費,不僅不能反映增材制造作為顛覆式技術(shù)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(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。


反過來講,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,理由就是你的產(chǎn)品是很創(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(fù)雜,不論設(shè)計多么創(chuàng)新和復(fù)雜,都能制造出來。增材制造實際上賦予了正向設(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,進行顛覆式創(chuàng)新。因此,增材制造相當于讓正向設(shè)計如虎添翼。


在增材正向設(shè)計中,有幾項需要關(guān)注的特別要素。第一項是創(chuàng)成式設(shè)計。創(chuàng)成式設(shè)計方法不同于傳統(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)計方法發(fā)揮算法和人工智能的長處,不需要人做過多干預(yù),也不希望人做干預(yù),因為人的思維定式缺陷可能會妨礙設(shè)計創(chuàng)新。我們只需要提供必要的設(shè)計限制,其余的完全交給算法來創(chuàng)造。這種新型的設(shè)計方法雖然不能替代正向設(shè)計和創(chuàng)新,但它是對人們大腦和眼界的大幅度擴展。


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增材正向設(shè)計中的特別要素


增材正向設(shè)計的第二項特別要素是多尺度仿真。仿真本身是正向設(shè)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(shè)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(lǐng)域的新進入者,但卻具有領(lǐng)先優(yōu)勢的原因。


但在增材制造領(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,其特點是傻大笨粗??梢钥隙ǖ卣f,任何一款傳統(tǒng)制造產(chǎn)品都有50%甚至更多的材料是冗余的。自然界的生物經(jīng)過數(shù)億年的進化,都把結(jié)構(gòu)優(yōu)化到極致,絕不會生長一點多余的材料。這些結(jié)構(gòu),譬如樹枝或樹葉,他們都是具有細小紋理的多孔結(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,但在數(shù)字化制造(增材制造)世界是再正常不過。但對這種結(jié)構(gòu)的仿真難度很大。我們需要確認宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)都是最優(yōu)的,但在當前的仿真技術(shù)之下,兩種尺度的結(jié)構(gòu)不能在同一個模型中出現(xiàn),但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)來計算結(jié)果等效獲得,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。


增材正向設(shè)計的第三項關(guān)鍵技術(shù)是架構(gòu)優(yōu)化,在其他領(lǐng)域稱為拓撲優(yōu)化,我更愿意將它稱為架構(gòu)優(yōu)化,因為在正向設(shè)計體系中,架構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作。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理想的結(jié)構(gòu)形式,再結(jié)合創(chuàng)成式設(shè)計和多尺度仿真,對這個結(jié)構(gòu)形式進行微觀設(shè)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(shè)備和周邊設(shè)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(chǎn)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(chǎn)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(guān)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(zhì)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(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)品進行再設(shè)計,甚至進行架構(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。


我們不僅給工業(yè)體系提供正向設(shè)計技術(shù)、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(yīng)對這么小型且高性能的渦輪機是很難想象的,正向設(shè)計和增材制造相結(jié)合,就變得具有巨大的創(chuàng)新空間,什么都成為了可能。





關(guān)于安世亞太

安世亞太具有24年的研發(fā)信息化工業(yè)軟件開發(fā)和服務(wù)經(jīng)驗、6年的工業(yè)品先進設(shè)計和增材制造經(jīng)驗,是我國工業(yè)企業(yè)研發(fā)信息化領(lǐng)域的領(lǐng)先者、新型工業(yè)品研制者、企業(yè)仿真體系和精益研發(fā)體系創(chuàng)立者,在國內(nèi)PLM、虛擬仿真及先進設(shè)計領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,提出了基于增材思維的先進設(shè)計和智能制造解決方案,聚焦于打造以增材思維為核心的先進設(shè)計與智能制造產(chǎn)業(yè)鏈,以全球視野和格局進行資源整合、技術(shù)轉(zhuǎn)化和生態(tài)構(gòu)建。