千百年來，人類制造技術(shù)發(fā)展的絕大多數(shù)努力集中在了形狀塑造上，并且這種趨勢一直延續(xù)到現(xiàn)代，從石器打磨到陶器塑形，從澆鑄青銅器到制作木質(zhì)家具，從金屬切削到單晶硅片光蝕刻，對材料形狀的加工長期以來一直是人們賦予制品以功能的主要手段。

與之相比，人類在發(fā)現(xiàn)、利用材料方面的進(jìn)步要慢許多，第一次工業(yè)革命后的一百余年時間里，精煉鋼材、有色金屬、合金材料、工程陶瓷、人造單晶材料等高性能材料才陸續(xù)登上制造業(yè)舞臺。

與利用材料相比，改進(jìn)材料物性提升制品性能的研究則更為初級。直到2011年6月美國政府發(fā)布材料基因組計劃（MGI），對新材料物性與材料配方關(guān)系的研究，才開始擺脫研究者的科學(xué)直覺和大量重復(fù)的“嘗試法”實驗的低層次局面。

▌“造物不止于形”是大勢所趨

傳統(tǒng)制造方式普遍建立在對單一均值材料的等材、減材制造模式之上，其所能提供干預(yù)材料物性的手段很少，制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法也十分有限，這限制了材料、功能與制造技術(shù)的協(xié)同發(fā)展。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料、結(jié)構(gòu)、功能相互割裂的發(fā)展局面。

圖1 ?傳統(tǒng)CNC加工

其原因在于3D打印機在輸出物理實體時，采用了從無到有的受控生長方式，其所用的建造物質(zhì)從低維度的點、線或面形態(tài)，以積分原理累積形成最終的三維實體；而在持續(xù)累積過程中，3D打印機有充分的時空窗口對建造物質(zhì)的物性、結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行從微觀到宏觀的主動控制，即將形狀信息承載至建造物質(zhì)的同時，亦將物性屬性和功能屬性施加至建造物質(zhì)。這使得打印過程結(jié)束時，所輸出三維實體既承載了宏觀的形狀信息，也被附加了微觀的材料物性信息，使得最終制品的功能得以同步完成。

圖2 ?增材制造（德迪工藝混合智能制造流水線FDM工位）

任何制造過程本質(zhì)上都是將設(shè)計信息承載到物質(zhì)的過程，增材制造讓我們有充分的理由相信“造物不止于形”這一制造理念的可行性。增材制造技術(shù)有足夠的潛力推動制品性能迎來新一輪重大升級，從而再次賦能制造業(yè)，選自安世增材CTO俞紅祥增材制造三部曲。

▌增材制造與正向設(shè)計相輔相成

將傳統(tǒng)制造的設(shè)計方法與評價標(biāo)準(zhǔn)遷移到增材制造應(yīng)用的實踐中，兩者在多方面表現(xiàn)出了沖突性。因此，增材技術(shù)還需與之匹配的設(shè)計理念才能付諸實踐。我們把面向增材制造的設(shè)計方法稱為DfAM（Design for Additive Manufacturing），包括從產(chǎn)品功能需求出發(fā)的正向設(shè)計、從產(chǎn)品性能改進(jìn)出發(fā)的增材制造再設(shè)計、從增材工藝約束出發(fā)的制造優(yōu)化設(shè)計等等。

正向設(shè)計是增材制造帶來“破壞力”的革新。它讓設(shè)計師拋棄了傳統(tǒng)制造手段的束縛，能真正從產(chǎn)品的功能需求出發(fā)，設(shè)計出功能強大、省材、高效率的結(jié)構(gòu)形式，顛覆傳統(tǒng)設(shè)計思維的桎梏。

正向設(shè)計與增材制造之間存在一種相互促進(jìn)的辯證關(guān)系。正向設(shè)計所提供的架構(gòu)性創(chuàng)新釋放了增材制造的價值，因為優(yōu)化和創(chuàng)新到理想的設(shè)計往往也是復(fù)雜至極的，而復(fù)雜結(jié)構(gòu)正是增材制造的優(yōu)勢所在。反過來講，增材制造打通了正向設(shè)計的傳統(tǒng)瓶頸，賦予了正向設(shè)計無限自由，可以放飛自我，進(jìn)行創(chuàng)新。

▌正向設(shè)計在DfAM實踐中的關(guān)鍵要素

第一項關(guān)鍵要素是創(chuàng)成式設(shè)計。不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，創(chuàng)成式設(shè)計發(fā)揮算法和人工智能的長處，設(shè)計師只需要提供必要的設(shè)計限制，其余的交給算法來創(chuàng)造。

拓?fù)鋬?yōu)化算法是目前常見的設(shè)計算法之一。在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，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，軟件通過特定的拓?fù)鋬?yōu)化算法，按照力的傳遞路徑自動找到理想的結(jié)構(gòu)形式。

圖3 創(chuàng)成式設(shè)計的3D打印鞋底

第二項關(guān)鍵要素是多尺度仿真，因為增材制造過程跨越了廣泛的時空尺度。在空間維度，材料的晶體結(jié)構(gòu)在納米級別，點陣或多孔結(jié)構(gòu)的特征尺寸在毫米級別，而目前最大的增材制造整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到十?dāng)?shù)米的級別。在時間維度，單個熔池的壽命在毫秒級別，單個片層的掃描時間在分鐘級別，而整個零件的制造過程長達(dá)數(shù)天或數(shù)周的時間。

宏觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性需要根據(jù)材料微觀結(jié)構(gòu)來計算等效獲得；材料微觀結(jié)構(gòu)的計算則需要宏觀結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果作為輸入。因此，如何保證在不同時空維度下，增材制造的產(chǎn)品性能都是最優(yōu)的，是我們面臨的一個難題。

▌DfAM的完整流程

以最常見的拓?fù)鋬?yōu)化和點陣結(jié)構(gòu)為例，一個完整的面向增材制造的設(shè)計流程通常包括如下幾個步驟：

Step 1 拓?fù)鋬?yōu)化：確定架構(gòu)設(shè)計方案。

Step 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計：模型光順處理、實體化、點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計等。

Step 3 參數(shù)優(yōu)化：在初始設(shè)計方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計方案。

Step 4 設(shè)計驗證：對設(shè)計方案進(jìn)行性能和工藝仿真。

在具體的產(chǎn)品設(shè)計過程中，很難有案例只經(jīng)過了這四個步驟就完成了完美的設(shè)計方案，其過程往往需要經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化。

圖4 DfAM完整流程

圖5 點陣結(jié)構(gòu)多尺度分析基本流程

▌如何培養(yǎng)DfAM設(shè)計思維

在實現(xiàn)材盡其能、物盡其用，釋放復(fù)雜成形能力的表象下，增材制造的真正價值在于回歸設(shè)計本源，回歸產(chǎn)品功能，重塑增材思維，實現(xiàn)造物不止于形的造物革命。作為新一代的物質(zhì)生產(chǎn)技術(shù)，它將與新一代信息技術(shù)深度融合，成為第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)引擎。

但是，目前人們對于增材制造這一新生技術(shù)的認(rèn)識還處于初級極端，很少站在系統(tǒng)高度統(tǒng)一材料、工藝、設(shè)計、性能、功能等要素，造成增材制造各要素之間各自為政、嚴(yán)重脫節(jié)、甚至相互割裂對立的現(xiàn)實局面。加速增材制造技術(shù)大規(guī)模商用化的關(guān)鍵，是站在巨人的肩膀上學(xué)習(xí)增材設(shè)計，縮短學(xué)習(xí)曲線，避免犯重復(fù)的錯誤。

圖6 基于增材思維的先進(jìn)設(shè)計與智能制造

近期，由安世亞太翻譯出版的《增材制造設(shè)計（DfAM）指南》正在熱銷，作者是瑞典隆德大學(xué)的三位學(xué)者。

本書就如何面向增材工藝設(shè)計零組件以獲取成本和性能的最大收益，提供了詳盡的指南和豐富的案例，包括增材制造導(dǎo)論、增材制造工藝、增材設(shè)計戰(zhàn)略、增材設(shè)計分析優(yōu)化工具、零件合并準(zhǔn)則、增材工藝工夾具設(shè)計準(zhǔn)則、面向聚合物和金屬的增材設(shè)計、后處理、以及增材制造的健康安全和零件認(rèn)證、增材制造的未來等章節(jié)。

作為全球增材設(shè)計專著，本書中譯本將為我國增材產(chǎn)業(yè)從業(yè)者、工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、工藝和制造人員，帶來全方位的以增材思維驅(qū)動的增材設(shè)計細(xì)節(jié)知識和工程應(yīng)用經(jīng)驗分享。