航空航天代表著人類科學(xué)技術(shù)的最高水平，也體現(xiàn)著人類設(shè)計(jì)理念的最新動(dòng)態(tài)。通過增材制造技術(shù)+增材設(shè)計(jì)（DfAM）思維，可以為航空航天帶來前所未有的設(shè)計(jì)理念。本文通過幾個(gè)案例，為讀者展現(xiàn)DfAM設(shè)計(jì)思維和航空航天行業(yè)相契合時(shí)所碰撞出來的火花。

基于DfAM理念的拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)翼設(shè)計(jì)

丹麥技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程系副教授 Niels Aage 將一個(gè)27m長的機(jī)翼劃分為11億個(gè)單元，用8000個(gè)CPU優(yōu)化了5天時(shí)間，終于拓?fù)鋬?yōu)化出來一個(gè)讓業(yè)內(nèi)一直津津樂道的作品——拓?fù)鋬?yōu)化的全尺寸機(jī)翼。該成果以《Giga-voxel computational morphogenesis for structural design》為題，發(fā)表于《Nature》雜志。

上圖為基于DfAM理念的拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)（機(jī)翼的下半部分），以梁結(jié)構(gòu)和類桁架結(jié)構(gòu)為主。

傳統(tǒng)機(jī)翼結(jié)構(gòu)是一種典型的盒段結(jié)構(gòu)，由梁、肋、長桁和蒙皮組成。最外層的蒙皮為非設(shè)計(jì)空間，不做拓?fù)鋬?yōu)化，內(nèi)部所有空間為可設(shè)計(jì)空間。在優(yōu)化時(shí)一般會(huì)把可設(shè)計(jì)空間填充為實(shí)體，拓?fù)鋬?yōu)化過程也就是去除不需要的材料的過程。

Niels Aage分析了攻角分別為0°和4°時(shí)2種典型工況的載荷。上圖中a為獨(dú)立計(jì)算攻角0°時(shí)的結(jié)果；b為獨(dú)立計(jì)算攻角4°時(shí)的結(jié)果；c為同時(shí)計(jì)算攻角0°和4°時(shí)的結(jié)果；d為同時(shí)計(jì)算攻角0°和4°及發(fā)動(dòng)機(jī)重量時(shí)的結(jié)果。

與現(xiàn)有的機(jī)翼相比，拓?fù)鋬?yōu)化后的機(jī)翼要輕 2-5% 左右。大約減重200-500kg。

盡管在優(yōu)化時(shí)按照整體27m長度的結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)，但是受限于當(dāng)前3D打印機(jī)的尺寸限制，作者只是打印了縮比驗(yàn)證部段。

最后作者發(fā)現(xiàn)，拓?fù)鋬?yōu)化整體機(jī)翼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，與鳥嘴骨骼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有異曲同工之妙。鳥類在長期的進(jìn)化過程中，優(yōu)化出了既能滿足承受進(jìn)食時(shí)載荷，又適應(yīng)飛行的輕量化骨骼。這個(gè)過程與拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)翼的過程可謂殊途同歸。

基于DfAM理念的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3D打印工藝對(duì)零件復(fù)雜程度不敏感，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、中空結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的低成本制造，為設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的輕量化結(jié)構(gòu)提供了制造可行性。

莫納什大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)通過金屬3D打印設(shè)備和輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，在火箭壁內(nèi)填充了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅能大大降低結(jié)構(gòu)的重量，而且具有良好的防隔熱效果，是未來3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)非常重要的發(fā)展方向。制造復(fù)雜內(nèi)流道是3D打印的另一個(gè)拿手絕活，3D打印可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部流道在一定程度上任意變化方向、變化直徑或者變化截面形狀。

GE公司制造的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴在3D打印工業(yè)化進(jìn)程中具有重要的里程碑意義，該產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了年產(chǎn)30000件的目標(biāo)，是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的3D打印產(chǎn)品。在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，Aerojet Rocketdyne公司AR1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的主噴油嘴也采用了同樣的DfAM設(shè)計(jì)理念。

AR1是一款正在開發(fā)中的50萬磅推力級(jí)的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其主噴油嘴是使用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)制造的，3D打印被證明能夠以與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比很低的成本快速制造出復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。僅在主噴射器一項(xiàng)，3D打印就把零部件的交貨時(shí)間減少了9個(gè)月，并降低了70%的成本。

基于DfAM理念的全機(jī)一體化設(shè)計(jì)

歐洲飛機(jī)制造商“空中客車”公司公布基于DfAM設(shè)計(jì)理念的“透明客機(jī)”概念方案。這架充滿夢幻色彩的概念飛機(jī)極為復(fù)雜，打破了傳統(tǒng)制造方法的桎梏，從弧形機(jī)身到仿生結(jié)構(gòu)，再到能讓乘客一覽藍(lán)天白云的透明蒙皮。根據(jù)空客公司公布的計(jì)劃，這架夢幻飛機(jī)將在2050年變成現(xiàn)實(shí)，到時(shí)候整個(gè)生產(chǎn)車間就是一臺(tái)巨型3D打印機(jī)，整個(gè)機(jī)身都由3D打印制造。

空客表示透明客機(jī)的機(jī)艙將采用仿生結(jié)構(gòu)，模仿鳥骨以提高強(qiáng)度減輕重量，這種結(jié)構(gòu)賦予承力部位更大的比強(qiáng)度。透明艙壁膜用于控制空氣溫度并呈透明狀，讓游客欣賞到全景。

艙壁膜控制空氣溫度同時(shí)呈透明狀，

讓乘客全天候欣賞到美麗的空中景色

透明客機(jī)夜晚飛行時(shí)的景象

乘客可以在互動(dòng)區(qū)玩虛擬高爾夫球

不僅民用飛機(jī)可以如此科幻，戰(zhàn)斗民族的DfAM思維和想象力也可以天馬行空。2019年7月29日，蘇霍伊設(shè)計(jì)局誕生80周年，這家舉世矚目的戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)公布了經(jīng)過DfAM拓?fù)鋬?yōu)化分析后的蘇-57結(jié)構(gòu)模型?！疤K-57”是俄羅斯的第五代戰(zhàn)斗機(jī)，該拓?fù)鋬?yōu)化模型很可能代表著蘇-57戰(zhàn)斗機(jī)的終極形態(tài)。

3D打印蘇-57模型

目前，3D打印憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，正在航空航天行業(yè)實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展，過去依靠傳統(tǒng)制造難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)，在以靈活著稱的3D打印面前不再是問題，因此基于增材制造的設(shè)計(jì)（DfAM）思維顯得尤為重要，只有從工藝上、技術(shù)上、思想上、理念上拋棄固有思維的束縛，我們航空航天設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力才能被徹底激發(fā)出來。