增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)，是相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除加工工藝而提出的通過(guò)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(lái)越普遍。

增材制造設(shè)計(jì)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(shì)的方法，實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)、按需制造的核心過(guò)程。

DfAM是一個(gè)復(fù)雜的課題，也是一個(gè)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(jì)軟件）的能力不斷進(jìn)步，先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gè)零部件都加工出來(lái)；把加工出來(lái)的零部件通過(guò)焊接、螺栓等連接方式組裝成系統(tǒng)，系統(tǒng)在通過(guò)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(lái)。

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(lái)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(jì)與先進(jìn)制造的完美融合。同時(shí)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(gè)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(jì)的過(guò)程。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)以90000rpm的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，一切都需要精確對(duì)齊。裝配中有多個(gè)零件會(huì)增加錯(cuò)位的機(jī)會(huì)。這樣，零件整合是提高機(jī)器可靠性的一項(xiàng)重要技術(shù)。同時(shí)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(jiǎn)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(jì)，去除不必要的材料，創(chuàng)建一個(gè)可變壁厚的空心殼。

其次考慮到冷卻散熱的需求，通過(guò)模擬評(píng)估了隨形冷卻通道對(duì)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(gè)外形殼上，形成具有用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)熱燃料的內(nèi)部共形通道，這樣的設(shè)計(jì)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(jì)。并且整個(gè)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(shí)整體減重44%。最后通過(guò)SLM成型工藝完成了整個(gè)結(jié)構(gòu)的打印。

那么功能集成一體化設(shè)計(jì)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(guò)結(jié)構(gòu)一體化實(shí)現(xiàn)輕量化，是對(duì)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(dòng)或者結(jié)構(gòu)-換熱-減振等功能。

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

• 取決于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)空間；

• 產(chǎn)品與其他部件的裝配關(guān)系；

• 加筋設(shè)計(jì)；

• 變厚度設(shè)計(jì)；

• 成型工藝；

• 制造設(shè)備的成型尺寸。

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

• 通過(guò)消除對(duì)緊固件的需求來(lái)減輕重量；

• 降低裝配和質(zhì)量控制成本；

• 通過(guò)最小化潛在故障點(diǎn)的數(shù)量來(lái)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(jì)帶來(lái)了優(yōu)化的空間，設(shè)計(jì)師可以嘗試將原本通過(guò)多個(gè)組件裝配的復(fù)雜部件，進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。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(gè)零件組合時(shí)存在的連接結(jié)構(gòu)（法蘭、焊縫等），也可以幫助設(shè)計(jì)者突破束縛實(shí)現(xiàn)功能最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

增材制造將更精密的設(shè)計(jì)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(lái)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(jià)值在于回歸設(shè)計(jì)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(jì)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)除了帶來(lái)輕量化的優(yōu)勢(shì)，減少組裝的需求也為航天航空發(fā)動(dòng)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(shì)受到了重視，并成為下一代航天航空研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的搶灘高地。