增材制造到底颠覆了什么？

来源：DT新材料

增材制造（又称3D打印）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性技术。


另有文献表示，增材制造（3D打印）技术作为具有前沿性、先导性的新兴智能制造技术，正在使传统生产方式和生产工艺发生深刻变革，被认为是推动新一轮工业革命的原动力，引起了世界各国的广泛关注。

请注意以上文献中的两个用词：“颠覆性”和“革命”。增材制造到底颠覆了什么？革了谁的命？

先说结论，增材制造名为“制造”，而颠覆的反倒是“设计”，进而革了“旧工业品”的命。在我们看来，它绝不仅仅是提供了一种新的制造方式，而是提供了一种突破传统工业体系的赋能技术，特别是对产品设计具有巨大影响，从而释放工业品的无限创新潜力，让全新型工业品的产生具有无限空间。

围绕正向设计，工业软件和增材制造之间具有一种奇妙的哲学关系。以正向设计为核心和主线，工业软件通过支撑正向设计，在全生命周期支撑增材制造过程的完成。在数字化的世界里，研发和制造不是先后串行和跟随序贯关系，数字化研发和数字化制造之间是一种相生相长的关系，具有生生不息的特征，两者之间在任何时候都是相辅相成、相互输送价值的过程，如图1所示。

图1  工业软件、正向设计和增材制造之间的辩证关系

这种哲学关系的存在，是因为正向设计与增材制造之间本身就也存在一种相互促进的辩证关系。首先，正向设计所提供的架构性创新彻底释放了增材制造的价值。优化和创新到极致的设计，其结构往往也是复杂至极的，而不怕复杂正是增材制造的优势所在。用增材制造技术加工传统产品完全是一种浪费，不仅不能反映增材制造这样一个颠覆式技术的优势，反倒会给人一种“多此一举”的负面印象，让人们看到的完全是这种技术在速度和成本上的劣势。所以离开了正向设计的增材制造就像鸟儿折去了翅膀。

反过来，增材制造打通了正向设计的传统瓶颈。在过去，正向设计如果想顺利走完全程，一直都忌惮于一个关键过程，那就是工艺和制造过程。这个过程可能会对一个正向设计所产生的创新方案一票否决，理由就是你的设计是很创新，但我制造不出来。这往往会给设计人员一种怀才不遇的挫折感。但是在增材制造时代，也就是数字化制造时代，不论设计多么创新，结构多么复杂，都能制造出来。增材制造实际上赋予了正向设计无限自由，只需要从需求和功能出发来进行产品设计，而不需要考虑制造的约束，完全可以放飞自我，进行颠覆式创新。因此，增材制造相当于让正向设计如虎添翼。

在基于增材思维的正向设计中，有一些不同以往的特别之处（图2）。第一项特别之处是创成式设计。这种设计方法完全不同于传统的设计方法，使用的工具软件也不是传统的CAD软件。创成式设计方法完全发挥算法和人工智能的优势，不需要人做过多干预，也不希望人做干预，因为人的思维定式可能会妨碍设计创新。我们只需要给出必要的设计要求，其余的完全交给算法来创造。这种新型的设计方法虽然不能完全替代正向设计和创新，但是它对人们大脑和眼界给予大幅度扩展。

图2  增材正向设计中的特别要素

基于增材思维的正向设计的第二项特别之处是多尺度仿真。仿真本身是正向设计中的常用技术，特别是对于增材制造所提供的无限创新空间来说，设计本身没有必须遵守的规范和标准，因此仿真便成了最重要的工具。这也是为什么那些以仿真起家的公司，虽然是增材制造领域的新进入者，但却具有得天独厚的领先优势。但在增材领域，仿真有个难题，那就是多尺度问题。用增材思维来看传统制造的产品，其特点是傻大笨粗。可以肯定地说，任何一款传统制造产品都有50%甚至更多材料的冗余。自然界的生物经过数亿年的进化，都把结构优化到极致，若非病变增生，绝不会生长一点多余的材料。本进化特性使得自然界的结构，譬如树枝或树叶，都是具有细小纹理的多孔结构。在传统制造世界，这种结构模式是不可想象的，但在增材制造世界是再正常不过。但对这种结构的仿真难度极大，我们希望通过仿真来找到宏观结构和微观结构都是最优的设计，但在当前仿真技术之下，两种尺度的结构不能在同一个模型中出现，还要在不同的计算中传承对方的计算结果。宏观结构的力学特性需要根据微观结构的计算结果来等效获得，微观结构的计算则需要宏观结构的计算结果作为输入。这些关联工作是增材仿真过程的重点和难点。

基于增材思维的正向设计的第三项特别之处是架构优化，在其他领域称为拓扑优化。我更愿意将它称为架构优化，因为在正向设计体系中，架构的创新和优化是首要工作，也是最具价值的工作。在架构优化中，我们并不需要对结构的形式做限定，只需要给出结构的受力和约束条件，软件可以按照力的传递路径自动找到最佳的结构形式。然后结合创成式设计和多尺度仿真，对这个结构形式进行微观设计和仿真。

增材制造的结果必须是产生新型工业品。增材制造的本质是：基于增材思维对现在的工业体系进行赋能、改造甚至重构。我们坚决反对用增材制造手段来制造传统产品，至少要对传统产品进行再设计，甚至进行架构性创新，这将产生完全不同于以往的、极度创新的新工业品。

图3  基于增材思维的新工业品研发——微型涡轮机

微型涡轮机就是一个新型工业品案例（图3）。过去的涡轮机械往往都是大型设备，安装在飞机这样的大型装备上。如此小型的涡轮机常常是在科幻片中见到，钢铁侠全身便装满了这种装备，使得他不仅能上天、下海、入地，还具有超强攻击力。传统的研发和制造方式应对这么小型且高性能的涡轮机是很难想象的。正向设计和增材制造相结合产生的巨大创新空间，将让这种新型工业产品变得司空见惯。

信息来源： 中国机械工程学会，DT新材料整理