增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)，是相對于傳統(tǒng)的材料去除加工工藝而提出的通過材料逐層增加的方式直接制造零件的一類技術(shù)。與材料“去除法”相比，增材制造技術(shù)能有效縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本，并且具有較高的柔性、適應(yīng)性及材料利用率等特點(diǎn)。在航空航天、汽車、模具、醫(yī)療等不同行業(yè)領(lǐng)域的增材制造應(yīng)用越來越普遍。

增材制造設(shè)計DfAM（Design for Additive Manufacturing）一種創(chuàng)建、優(yōu)化或調(diào)整零件、組件或產(chǎn)品的形式和功能以充分利用增材制造工藝優(yōu)勢的方法，實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計、按需制造的核心過程。

DfAM是一個復(fù)雜的課題，也是一個熱門的研究領(lǐng)域。雖然基本概念很容易理解，但要掌握它們的實(shí)施可能具有挑戰(zhàn)性。隨著增材技術(shù)（和工程設(shè)計軟件）的能力不斷進(jìn)步，先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計和實(shí)踐工程案例也在不斷發(fā)展。

傳統(tǒng)的工業(yè)思維模式是系統(tǒng)分解、零件加工和組件裝配的思維模式，如圖1所示。把整車分解為系統(tǒng)，在把系統(tǒng)分解成獨(dú)立的零部件；把系統(tǒng)分解的每個零部件都加工出來；把加工出來的零部件通過焊接、螺栓等連接方式組裝成系統(tǒng)，系統(tǒng)在通過各種連接方式組裝成整車。這樣做的目的是為了能夠快速批量化地把產(chǎn)品制造出來。

增材制造技術(shù)具有的不受傳統(tǒng)工藝限制的特點(diǎn)，為高性能新產(chǎn)品研制帶來了顛覆性的突破和革命性的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)設(shè)計與先進(jìn)制造的完美融合。同時該技術(shù)更能大幅度縮短生產(chǎn)周期、降低制造成本、節(jié)省材料消耗和加工制造費(fèi)用。

本案例是一個關(guān)于微型渦輪機(jī)關(guān)鍵部件外殼的功能集成一體化設(shè)計的過程。

當(dāng)發(fā)動機(jī)以90000rpm的速度旋轉(zhuǎn)時，一切都需要精確對齊。裝配中有多個零件會增加錯位的機(jī)會。這樣，零件整合是提高機(jī)器可靠性的一項重要技術(shù)。同時冷卻系統(tǒng)是大功率能源發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分。事實(shí)上，熱管理是電機(jī)的主要尺寸限制之一。簡而言之，更好的冷卻意味著更多的功率。

首先使用nTopology的集成靜態(tài)和模態(tài)分析仿真工具確認(rèn)外殼的壁厚設(shè)計，去除不必要的材料，創(chuàng)建一個可變壁厚的空心殼。

其次考慮到冷卻散熱的需求，通過模擬評估了隨形冷卻通道對系統(tǒng)性能的影響，nTopology中的熱有限元分析結(jié)果與Fluent中的CFD仿真結(jié)果相結(jié)合。將熱管理的隨形冷卻水道集成到整個外形殼上，形成具有用于冷卻發(fā)動機(jī)和預(yù)熱燃料的內(nèi)部共形通道，這樣的設(shè)計就把用于減重的中空結(jié)構(gòu)用作冷卻通道，完成了散熱功能的集成。

該部件實(shí)現(xiàn)了三種功能的集成，完成了一體化設(shè)計。并且整個結(jié)構(gòu)的性能得到了大幅提升，部件的工作溫度顯著降低，最高溫度降低了33％，而在發(fā)電機(jī)的外部溫度下降了86％到27℃，使之可以安全觸摸，同時整體減重44%。最后通過SLM成型工藝完成了整個結(jié)構(gòu)的打印。

那么功能集成一體化設(shè)計就是在同一空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同功能結(jié)構(gòu)材料與構(gòu)型的相容，并且通過結(jié)構(gòu)一體化實(shí)現(xiàn)輕量化，是對增材制造技術(shù)最直接的應(yīng)用。從可靠性、輕量化角度出發(fā)，零部件是越少越好。比如實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-散熱-氣動或者結(jié)構(gòu)-換熱-減振等功能。

增材制造為通過將多種功能、多個部件組合成一個部件的打開了設(shè)計大門。當(dāng)然，在進(jìn)行功能集成一體化設(shè)計的過程中需要注意的幾點(diǎn)：

• 取決于產(chǎn)品的設(shè)計空間；

• 產(chǎn)品與其他部件的裝配關(guān)系；

• 加筋設(shè)計；

• 變厚度設(shè)計；

• 成型工藝；

• 制造設(shè)備的成型尺寸。

識別多部件一體化的機(jī)會具有挑戰(zhàn)性。但考慮到好處時，值得付出努力。零件一體化可能導(dǎo)致：

• 通過消除對緊固件的需求來減輕重量；

• 降低裝配和質(zhì)量控制成本；

• 通過最小化潛在故障點(diǎn)的數(shù)量來提高可靠性。

增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜部件的一體化制造，這為零部件設(shè)計帶來了優(yōu)化的空間，設(shè)計師可以嘗試將原本通過多個組件裝配的復(fù)雜部件，進(jìn)行一體化設(shè)計。這種方式不僅實(shí)現(xiàn)了零件的整體化結(jié)構(gòu)，還能夠避免原始多個零件組合時存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等），也可以幫助設(shè)計者突破束縛實(shí)現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)計。

增材制造將更精密的設(shè)計信息承載到物理實(shí)體上，意味著所生成制品具有更強(qiáng)的功能性，進(jìn)而帶來性能的飛躍。因此，在實(shí)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。

在航空航天制造領(lǐng)域，功能集成一體化設(shè)計的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)除了帶來輕量化的優(yōu)勢，減少組裝的需求也為航天航空發(fā)動機(jī)打開提升性能的想象空間。增材制造技術(shù)的這一優(yōu)勢受到了重視，并成為下一代航天航空研發(fā)發(fā)動機(jī)技術(shù)的搶灘高地。