工藝束縛消失，設(shè)計(jì)將會(huì)怎樣?

安世亞太科技股份有限公司

長(zhǎng)期以來，工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是基于已有工藝來定型的。如果一件產(chǎn)品被設(shè)計(jì)出來，卻由于工藝的局限而無法被制造或者量產(chǎn)，那么設(shè)計(jì)創(chuàng)新就會(huì)淪為空談。制造約束了產(chǎn)品創(chuàng)新，在中國(guó)許多傳統(tǒng)制造行業(yè)很普遍。

如果無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造，那產(chǎn)品設(shè)計(jì)將沖破工藝的束縛，釋放出巨大潛能：設(shè)計(jì)人員可以只專注于需求，設(shè)計(jì)任何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，而不需要考慮制造工藝的局限。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式將被顛覆，曾經(jīng)淪為設(shè)計(jì)后期驗(yàn)證的仿真技術(shù)將，在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行。仿真技術(shù)可以對(duì)各類工業(yè)產(chǎn)品整機(jī)或其關(guān)鍵零部件進(jìn)行大幅度改良設(shè)計(jì)，將極大地提高企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新能力，推動(dòng)整個(gè)中國(guó)工業(yè)的創(chuàng)新進(jìn)程。

精密鑄造，打破工藝束縛

蘇氏精密鑄造技術(shù)歷經(jīng)20余年的發(fā)展，在傳統(tǒng)失蠟熔模精密鑄造工藝基礎(chǔ)上對(duì)所有工藝流程經(jīng)過100多項(xiàng)微創(chuàng)新，最大限度地杜絕了傳統(tǒng)鑄造工藝容易產(chǎn)生的所有質(zhì)量問題，尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量方面均全面超越國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了“無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造”這一目標(biāo)。

蘇氏精密鑄造技術(shù)體系（SIIC）取得了3項(xiàng)創(chuàng)新性技術(shù)：（1）尺寸精準(zhǔn)，全程不變形的蠟件制備技術(shù)；（2）強(qiáng)度、剛性、透氣性、退讓性相統(tǒng)一的模殼制備技術(shù)；（3）長(zhǎng)程有序的金屬澆鑄與凝固控制技術(shù)。這些新技術(shù)從根本上杜絕了傳統(tǒng)工藝的所有缺陷，在尺寸精度和內(nèi)部質(zhì)量方面均超越國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)車、銑、刨、磨、鍛等冷加工手段和常規(guī)成形手段無法加工、難以加工以及依照價(jià)值工程不值得加工的復(fù)雜、緊湊的精密零部件中，即使對(duì)于傳統(tǒng)工藝很難完成的大型薄壁構(gòu)件，采用SIIC技術(shù)制造也沒有障礙，而且結(jié)構(gòu)具有高精度的近凈形、近凈重和近全吻合受力狀態(tài)的特點(diǎn)，基本實(shí)現(xiàn)免后續(xù)加工。

3D打印技術(shù)作為一種快速成形技術(shù)近年來得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注。從成品的復(fù)雜度上，3D打印工藝不輸于蘇氏精密鑄造工藝，但現(xiàn)行的3D打印工藝無法適用于承力部件的加工，難以應(yīng)用于高端設(shè)備和產(chǎn)品的制造領(lǐng)域。因此，蘇氏精密鑄造工藝是目前唯一一個(gè)真正意義上的“為設(shè)計(jì)打破工藝束縛”的制造技術(shù)。

工程仿真，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

仿真人員一直有一個(gè)夢(mèng)想：仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。但每當(dāng)仿真人員提出對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化方案的時(shí)候，獲得的回應(yīng)常常是“我們加工不了”。所以仿真人員總有一種懷才不遇之惑。今天，蘇氏精密制造技術(shù)解決了這一難題

由于“無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造”，所以設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)任何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，而不需要考慮制造工藝的局限。工程仿真技術(shù)可以精確透視產(chǎn)品特性、加工特性、試驗(yàn)本質(zhì)以及制造過程，有效延伸了人的眼睛甚至大腦，提高判斷力，可以有效降低設(shè)計(jì)和制造的成本和時(shí)間周期。優(yōu)化技術(shù)，可以獲得最合理的結(jié)構(gòu)、最好的加工方式、高成功率的試驗(yàn)以及最合理的制造裝配模式。

因此，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭開始，基于先進(jìn)的精密鑄造工藝與工程仿真技術(shù)，可以打通產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的藩籬，建立設(shè)計(jì)與制造一體化的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系，從根本上改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式，產(chǎn)品設(shè)計(jì)將由仿真來驅(qū)動(dòng)。由于無需擔(dān)心不能制造，可以通過仿真對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行大膽優(yōu)化，產(chǎn)生與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異巨大的產(chǎn)品，對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生跨量級(jí)的正面影響。直接可見的好處是：性能明顯提升、全結(jié)構(gòu)具有均衡的可靠性、材料可以替換至最低標(biāo)準(zhǔn)、重量和體積下降、載重量提升、保障功能和性能的前提下動(dòng)力要求降到最低（或者相同的動(dòng)力水平下，功能性能達(dá)到最好）、成本下降、能耗環(huán)保指標(biāo)提升。同時(shí)，通過優(yōu)化手段對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，有可能顛覆大量工業(yè)行業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)品的設(shè)計(jì)、工藝及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行改造（圖1）。

在仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式下，對(duì)工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的產(chǎn)品大都是非標(biāo)準(zhǔn)化甚至反傳統(tǒng)的產(chǎn)品，沒有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及知識(shí)經(jīng)驗(yàn)可參考，唯一能依賴的設(shè)計(jì)手段就是工程仿真和實(shí)物試驗(yàn)。因此，仿真能力將是確定產(chǎn)品功能、性能、安全與可靠性的最重要能力。在這種設(shè)計(jì)體系面前，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)都將失效甚至成為創(chuàng)新的制約，所有公司和人員的設(shè)計(jì)能力站到了同一起跑線上。安世亞太是掌握了工程仿真技術(shù)并進(jìn)行了大量工業(yè)實(shí)踐應(yīng)用的公司，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。因此，安世亞太將工程仿真技術(shù)、工業(yè)再設(shè)計(jì)方法與蘇氏精密鑄造工藝結(jié)合，建立設(shè)計(jì)與制造一體化的工業(yè)產(chǎn)品再設(shè)計(jì)體系。

工業(yè)品再設(shè)計(jì)，夯實(shí)創(chuàng)新基礎(chǔ)

所謂再設(shè)計(jì)，指的是讓設(shè)計(jì)回歸需求本源，重新審視原有設(shè)計(jì)，以最自然的方式來探索設(shè)計(jì)的本質(zhì)，效法自然。再設(shè)計(jì)包括對(duì)已知產(chǎn)品改良和從無到有的創(chuàng)造。首先，工業(yè)品再設(shè)計(jì)，是一個(gè)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的過程，通過將新工藝、新技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品的優(yōu)化和改良中，使產(chǎn)品具有新功能、新形態(tài)、新品質(zhì)。同時(shí)，通過再設(shè)計(jì)，讓企業(yè)敢于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行跨量級(jí)優(yōu)化，甚至產(chǎn)生顛覆式創(chuàng)新。另一方面，通過不斷的工業(yè)品再設(shè)計(jì)活動(dòng)，可以培養(yǎng)企業(yè)的創(chuàng)新能力，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的一項(xiàng)有效手段?？梢韵胂?，如果工業(yè)品再設(shè)計(jì)方法在中國(guó)工業(yè)體系推廣，將明顯加快中國(guó)工業(yè)的創(chuàng)新進(jìn)程。

圖1 仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

因此，基于突破性的精密鑄造工藝，通過不斷的工業(yè)品再設(shè)計(jì)，可以提高創(chuàng)新能力，夯實(shí)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，達(dá)到由量變到質(zhì)變，引領(lǐng)走向正向設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)基于正向設(shè)計(jì)的顛覆式創(chuàng)新，可以按照以下步驟推進(jìn)工業(yè)品再設(shè)計(jì)：

（1）提高產(chǎn)品的模塊化和一體化程度。重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分離面，如無特定必要，產(chǎn)品部件可以設(shè)計(jì)為一體化結(jié)構(gòu)，無需由大量零件構(gòu)成。僅此一項(xiàng)改變，對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品的性能、可靠性、重量、體積、載重、材料、動(dòng)力、成本、能耗、環(huán)保等方面都會(huì)帶來改觀。

（2）傳統(tǒng)工業(yè)產(chǎn)品的大膽優(yōu)化?？梢詫?duì)當(dāng)前的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)形貌方面做大膽優(yōu)化（拓?fù)鋬?yōu)化），產(chǎn)生與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異巨大的產(chǎn)品。從已經(jīng)完成再設(shè)計(jì)的大量產(chǎn)品來看，在維持原裝備性能、不改變裝備制造材料的前提下，通過再設(shè)計(jì)，普遍可以實(shí)現(xiàn)裝備15%～60%的減重。如航天某院一武器系統(tǒng)，僅僅因?yàn)橥ㄟ^再設(shè)計(jì)將殼體重量相對(duì)仿制對(duì)象降低了超過50%之后，在動(dòng)力系統(tǒng)明顯落后的情況下，就實(shí)現(xiàn)了該武器系統(tǒng)在航程、航速、精確性方面對(duì)仿制對(duì)象的全面超越。

（3）基于正向設(shè)計(jì)的顛覆式創(chuàng)新。由于新工藝具有“無論多復(fù)雜都能制造”的特性，甚至無需考慮當(dāng)前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特征，直接從需求出發(fā)，通過正向設(shè)計(jì)產(chǎn)生框架性和顛覆性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。超越源于創(chuàng)新，創(chuàng)新源于正向設(shè)計(jì)，正向設(shè)計(jì)依賴系統(tǒng)工程。安世亞太精益研發(fā)體系正是基于系統(tǒng)工程理論，從涉眾需求出發(fā)，經(jīng)過需求分解、功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、虛擬制造、虛擬試驗(yàn)等設(shè)計(jì)過程，形成完整的正向設(shè)計(jì)體系，并據(jù)此體系開發(fā)了大型工業(yè)軟件，形成數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)。

結(jié)束語

工程仿真結(jié)合蘇氏精密鑄造體系，可以形成工業(yè)再設(shè)計(jì)體系，精益研發(fā)結(jié)合蘇氏精密鑄造將可以形成創(chuàng)新性正向研制體系。在基于突破性工藝的再設(shè)計(jì)和正向設(shè)計(jì)面前，國(guó)外優(yōu)勢(shì)企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的積淀和經(jīng)驗(yàn)在一定程度上失效。突破性工藝帶來的新機(jī)遇，結(jié)合創(chuàng)新性正向研制體系，使得中國(guó)工業(yè)有機(jī)會(huì)在某些重點(diǎn)工業(yè)產(chǎn)品領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)彎道超車。