面向增材制造的零件結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

王 玉，李帥帥，于 穎

（1.同濟(jì)大學(xué)中德工程學(xué)院，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

與減材制造從已有的坯料切削出特定的幾何形狀有著本質(zhì)不同，增材制造（additive manufacturing，AM）是通過(guò)材料層層堆積的方式完成零件“自下而上”、“從無(wú)到有”的制造過(guò)程，是一種更符合自然生長(zhǎng)規(guī)律的制造方法。AM將復(fù)雜的三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為易于處理的二維問(wèn)題，從而可以制造出高度復(fù)雜的零件，其中零件的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在四個(gè)方面［1］：零件形狀復(fù)雜性，AM可以制造任意復(fù)雜形狀、內(nèi)部復(fù)雜流道以及復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件，且制造成本與零件復(fù)雜程度無(wú)關(guān)；零件材料復(fù)雜性，AM可以實(shí)現(xiàn)同一零件不同部位的不同材料制造，理論上可以對(duì)組成零件的點(diǎn)單元材料屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)；零件層次復(fù)雜性，AM零件的幾何結(jié)構(gòu)和材料同時(shí)生成，結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)宏觀、介觀及微觀多個(gè)尺度制造，可以通過(guò)控制零件結(jié)構(gòu)改善零件性能；零件功能復(fù)雜性，AM可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能零部件的一體化制造，可以進(jìn)行多個(gè)功能零部件的整合以減少產(chǎn)品的零部件數(shù)量。AM相比傳統(tǒng)制造方法所具有的微觀材料、介觀結(jié)構(gòu)與宏觀幾何零件一體化制造的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)多層次結(jié)構(gòu)、多種材料、多功能零部件的快速制造提供了可能。

AM帶來(lái)的不僅僅是制造技術(shù)的革命，更重要的是零件設(shè)計(jì)方法的革命。AM技術(shù)優(yōu)勢(shì)極大地拓展了傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間，提高了產(chǎn)品的“設(shè)計(jì)自由度”，使得零件設(shè)計(jì)不再局限于面向制造、面向裝配等基于減材制造的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可以真正進(jìn)行面向產(chǎn)品功能或性能需求的設(shè)計(jì)［2］。然而，目前面向AM的零件設(shè)計(jì)方法落后于AM技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上限制了設(shè)計(jì)人員的AM設(shè)計(jì)思維。AM作為將“減法”變?yōu)椤凹臃ā钡闹圃臁坝螒蚋淖冋摺?，?yīng)該建立與其匹配的“游戲規(guī)則”，以充分挖掘和發(fā)揮AM所具有的潛力和優(yōu)勢(shì)。因此，需要研究面向增材制造的設(shè)計(jì)（design for additive manufacturing，DFAM），充分利用AM設(shè)計(jì)“自由度”使AM由原來(lái)的僅制造“產(chǎn)品原型（Product Prototype）”向制造“最終產(chǎn)品（End-use Product）”轉(zhuǎn)變。DFAM不是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，而應(yīng)該是一種充分考慮AM技術(shù)優(yōu)勢(shì)（復(fù)雜性制造）、技術(shù)缺點(diǎn)（各向異性）以及工藝約束（最小壁厚和最小特征尺寸），以零部件的功能需求、性能需求、成本需求中的一個(gè)或多個(gè)為目標(biāo)導(dǎo)向的全新設(shè)計(jì)方法。目前有關(guān)DFAM研究?jī)?nèi)容可概括設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工藝設(shè)計(jì)四個(gè)方面。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、介觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件整合設(shè)計(jì)、流體管道及熱交換器設(shè)計(jì)方面和工藝設(shè)計(jì)中的層內(nèi)軌跡規(guī)劃、建造方向選擇、多個(gè)方向建造及曲面分層設(shè)計(jì)方面的研究概況進(jìn)行論述，并在此基礎(chǔ)上對(duì)DFAM領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 面向增材制造的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滿足零件功能需求的前提下設(shè)計(jì)輕量化、整體化、低成本的高性能結(jié)構(gòu)是零件設(shè)計(jì)的中心任務(wù)。由自然法則進(jìn)化的生物結(jié)構(gòu)如蜂窩、竹子、骨骼等被認(rèn)為是自然界優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)的典型代表［3］，但傳統(tǒng)制造方法很難完成在幾何和尺度上如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。一些傳統(tǒng)制造技術(shù)難以制造的輕量化結(jié)構(gòu)、整體化結(jié)構(gòu)及內(nèi)部復(fù)雜流道等對(duì)于AM無(wú)論從其可制造性和制造成本而言已經(jīng)不是問(wèn)題。新的設(shè)計(jì)空間呼喚新的設(shè)計(jì)理論與方法，本節(jié)從拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、介觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件整合設(shè)計(jì)、流體管道設(shè)計(jì)及熱交換器設(shè)計(jì)等方面研究進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述。

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization，TO）與AM的完美結(jié)合，可以在零件材料的設(shè)計(jì)空間中找到最佳材料分布方案，從而提高材料利用率達(dá)到減輕重量的目的［4］。相對(duì)其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化層次最高，設(shè)計(jì)變量最多，設(shè)計(jì)自由度最大。拓?fù)鋬?yōu)化分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散體拓?fù)鋬?yōu)化。離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化主要有基結(jié)構(gòu)法，該方法是根據(jù)桿件的應(yīng)力大小來(lái)確定桿件的去留，留下的桿件構(gòu)成最終的優(yōu)化結(jié)果。目前連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法主要有均勻化方法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法以及水平集方法等［5］。

拓?fù)鋬?yōu)化使能的輕量化設(shè)計(jì)在航空、航天和汽車工業(yè)中的應(yīng)用尤其重要［6］。減重可以在產(chǎn)品的使用中節(jié)省大量能源，如飛機(jī)每減重1Kg，每年可節(jié)省3000美元的燃料費(fèi)用［7］。航天應(yīng)用方面，瑞士航天公司RUAG Space制造了一個(gè)衛(wèi)星天線支架，與原來(lái)的支架相比，重量從1.626Kg降低到0.936Kg，同時(shí)可以改變天線支架的固有頻率［8］（圖1a所示）。SpaceIL公司設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于登月飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)支架［9］（圖1b所示）。航空方面，EADS創(chuàng)新中心對(duì)空客A320機(jī)艙鉸鏈支架進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后零件保持了原先零件的剛度和螺栓載荷，減小了最大應(yīng)力，提升了強(qiáng)度，質(zhì)量減少了64%［10］。波音公司將拓?fù)鋬?yōu)化和AM進(jìn)行結(jié)合，制造出了具有明顯減重和較好性能的飛機(jī)零部件，旨在實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品減重和降低成本等目標(biāo)［11］（圖1c所示）?？湛虯PWorks公司對(duì)摩托車的車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，制造了一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)車身的輕型摩托車［12］（圖1d所示）。此外，拓?fù)鋬?yōu)化也被用于生物醫(yī)用植入體［13］、鑄造工藝［14］等，以及在多物理場(chǎng)耦合下的應(yīng)用［15］。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化通常用來(lái)獲取零件的初始形狀，且優(yōu)化結(jié)果不具有唯一性，對(duì)優(yōu)化結(jié)果的解釋以及重構(gòu)問(wèn)題有待深入研究。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化的應(yīng)用案例Fig.1 Application cases of topology optimization

1.2 介觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

介觀結(jié)構(gòu)是指由特征尺寸在0.1-10mm之間的單元胞按特定方式排列組成的結(jié)構(gòu)，不僅具有高的強(qiáng)度質(zhì)量比或剛度質(zhì)量比，同時(shí)還具有能量吸收、散熱、隔音等性能［16］，以介觀結(jié)構(gòu)替代實(shí)體結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)零件輕量化設(shè)計(jì)的一種新途徑。MIT研究的超輕架構(gòu)材料可承受其自身重量至少16萬(wàn)倍的載荷［17］，表明在材料與幾何結(jié)構(gòu)趨于模糊的介觀層面蘊(yùn)藏著AM使能的巨大輕量化潛能。

胞狀結(jié)構(gòu)根據(jù)其單元胞的排布形式可分為均勻同構(gòu)、均勻異構(gòu)、非均勻同構(gòu)以及非均勻異構(gòu)四種，每一種結(jié)構(gòu)的特性取決于結(jié)構(gòu)中單元胞的拓?fù)洹缀?、方位、尺寸等設(shè)計(jì)變量，通過(guò)控制這些變量使得胞狀結(jié)構(gòu)在空間滿足零件局部或整體的剛度或強(qiáng)度等性能要求。目前大多數(shù)研究主要集中在呈周期性排列的前三種胞狀結(jié)構(gòu)，如應(yīng)用均質(zhì)化理論進(jìn)行均勻同構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，基于梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非均勻同構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)等，但設(shè)計(jì)中通常只關(guān)注單元胞諸多設(shè)計(jì)變量的一個(gè)或兩個(gè)，不能進(jìn)行全變量設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于特定零件來(lái)說(shuō)，其承受的載荷往往并不是均勻的分布在其內(nèi)部，因此均勻分布的同構(gòu)格狀結(jié)構(gòu)并不科學(xué)。對(duì)于非均勻異構(gòu)這種大自然廣泛存在的自適應(yīng)胞狀結(jié)構(gòu)由于其幾何高度復(fù)雜性目前的研究還很不充分，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法。Chu等［18］在胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了一種面向AM的“工藝-結(jié)構(gòu)-性能”一體化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，以多孔材料的設(shè)計(jì)和制造為例驗(yàn)證了該方法的有效性，并開發(fā)了相應(yīng)工具用于介觀蜂窩結(jié)構(gòu)的定制化設(shè)計(jì)。Chen［19］提出了基于三維紋理映射的自適應(yīng)胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，根據(jù)有限元分析結(jié)果定義翹曲函數(shù)進(jìn)行空間映射使網(wǎng)格方位與最大主應(yīng)力方向一致，該方法雖然可以進(jìn)行載荷自適應(yīng)設(shè)計(jì)，但難以處理結(jié)構(gòu)的多變量設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題。

由于胞狀結(jié)構(gòu)尤其是非均勻異構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性，只能用AM方法來(lái)制造，因此設(shè)計(jì)的胞狀結(jié)構(gòu)必須能夠制造，否則就會(huì)成為空中樓閣。在研究胞狀結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的同時(shí)，需對(duì)其可制造性進(jìn)行深入研究，如單元胞的類型、尺寸、方位和相對(duì)密度（體積分?jǐn)?shù)）等對(duì)可制造性的影響，努力使胞狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠自支撐或免支撐以提高其制造的效率與質(zhì)量。同時(shí)，由于AM逐層材料累積的特點(diǎn)導(dǎo)致的材料性能的幾何和工藝依賴性，需要研究處理各向異性材料特性以及諸如最小特征尺寸、建造方位等設(shè)計(jì)約束。如何構(gòu)建設(shè)計(jì)理論與方法，將AM特性和可制造性約束耦合進(jìn)胞狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定挑戰(zhàn)性。

用介觀格狀結(jié)構(gòu)（lattice structure，LS）代替零件實(shí)體結(jié)構(gòu)在輕量化的同時(shí)還可以改善其相關(guān)性能，在航空、航天、國(guó)防等對(duì)重量敏感的領(lǐng)域具有非常重要的意義。例如，將介觀格狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于微型飛行器機(jī)身的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減重33%，極大提高了飛行器續(xù)航能力［20］；將介觀格狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于填充無(wú)人機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)，其最大曲面弦高差改善78%［21］。將介觀格狀結(jié)構(gòu)作為夾層的填充結(jié)構(gòu)制造諧振器［22］（圖2a所示），這種高強(qiáng)度和輕質(zhì)量的結(jié)構(gòu)除了可以用于航天器吸收振動(dòng)，還可以應(yīng)用于螺旋槳、渦輪轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵的部位［23］。介觀結(jié)構(gòu)能夠最大程度上滿足仿生設(shè)計(jì)的需求，由Betatype與倫敦帝國(guó)理工學(xué)院合作設(shè)計(jì)的仿自然骨骼的非均勻異構(gòu)格狀結(jié)構(gòu)（圖2b所示）［24］。Altair公司結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化與胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以最大化減少支架重量為目標(biāo)，用鈦材料制造出具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的制造的仿“蜘蛛”支架（圖2c所示）［25］。生物醫(yī)學(xué)工程中的植入骨或組織的設(shè)計(jì)與制造［26］。此外，介觀結(jié)構(gòu)還被用于制備一些超性能材料，如波音公司和HRL實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了一種被授予世界最輕金屬的微納結(jié)構(gòu)（圖2d所示），比聚苯乙烯泡沫塑料輕100倍［27］）。為了最大程度上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，可以通過(guò)優(yōu)化格狀結(jié)構(gòu)中桿件的方向和直徑來(lái)適應(yīng)工況載荷下零件應(yīng)力分布，文獻(xiàn)［28］研究對(duì)比了三種不同布置桿件的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)果表明與力流協(xié)調(diào)的直桿只受拉壓，具有更好的剛度和強(qiáng)度，但是研究沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)處的連接方式以及應(yīng)力集中問(wèn)題。

圖2 介觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例Fig.2 Application cases of mesoscopic structure

1.3 零件整合設(shè)計(jì)

AM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)人員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)行一體化整合設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的制造與裝配設(shè)計(jì)方法相比，AM使能的零件整合為實(shí)現(xiàn)零件數(shù)量的減少和裝配的簡(jiǎn)便性提供了一種更為有效的方法［29］。零件整合設(shè)計(jì)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)，使得零部件最終達(dá)到功能集成、數(shù)量減少、重量減輕、性能優(yōu)化的目標(biāo)［30］。

在航空制造領(lǐng)域，一體化結(jié)構(gòu)在帶來(lái)零件數(shù)量減少、零件減重的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，為飛機(jī)零部件的性能提升開辟了新的空間。飛機(jī)零部件的一體化整合設(shè)計(jì)需要以AM技術(shù)為主導(dǎo)的主動(dòng)設(shè)計(jì)思維方式，即在設(shè)計(jì)之初，以考慮零部件的功能性為主，而不用花費(fèi)精力去考慮結(jié)構(gòu)裝配的問(wèn)題，跳出原有的設(shè)計(jì)思維，會(huì)帶來(lái)完全不同的創(chuàng)新零部件。零件整合設(shè)計(jì)的經(jīng)典案例是GE公司制造的集成復(fù)雜的幾何外形和內(nèi)部復(fù)雜腔體的燃油噴嘴，使原本20個(gè)組件整合設(shè)計(jì)成一個(gè)零件（圖3a所示），同時(shí)使得重量減少了25%，耐用性提高了5倍［31］。

AM相對(duì)于傳統(tǒng)采用的焊接方式制造管道具有明顯優(yōu)勢(shì)，不僅可以克服傳統(tǒng)管道的可制造性設(shè)計(jì)限制，而且還可以改善壁厚不均勻，尖角等問(wèn)題，在管道類的零部件整合應(yīng)用廣泛。如飛機(jī)上的一個(gè)導(dǎo)管整合設(shè)計(jì)，將原來(lái)由16個(gè)部件組成的飛機(jī)導(dǎo)管（圖3b所示）整合成一個(gè)零件［32］。通氣管道的整合設(shè)計(jì)，使得零件從13個(gè)變?yōu)?個(gè)，縮短了零件生產(chǎn)周期，大大降低了零件成本［33］。重新設(shè)計(jì)的飛機(jī)主起落架拖桿收放機(jī)構(gòu)液壓檢測(cè)設(shè)備（圖3c所示），部件減少了多部件組件的60%的重量和53%的高度，同時(shí)提高性能和減少了泄漏［34］。此外，基于AM的零件整合設(shè)計(jì)也在其他領(lǐng)域得以應(yīng)用，如優(yōu)化設(shè)計(jì)了拖拉機(jī)控制艙套管（6個(gè)零件整合成1個(gè)）［35］，和機(jī)器人觸手（9個(gè)零件整合成1個(gè)）［36］。

圖3 零件整合設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例Fig.3 Application cases of parts integration

1.4 流體管道設(shè)計(jì)

AM工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以制造具有復(fù)雜的內(nèi)部特征的零件以改善零件性能，如在液壓閥和隨形冷卻模具方面的應(yīng)用。使用傳統(tǒng)的加工方法制造液壓閥，除了加工工序復(fù)雜、成本高之外，鉆孔會(huì)產(chǎn)生管道內(nèi)無(wú)法去除的毛刺，流體在高壓下流經(jīng)孔道交匯區(qū)域時(shí)會(huì)造成能量損失，導(dǎo)致流體效率低下等一系列問(wèn)題。而基于AM設(shè)計(jì)制造的液壓閥不僅可以大大減少材料成本，更重要的是，AM設(shè)計(jì)提供了巨大的管路設(shè)計(jì)自由度，可以消除管道死角或尖銳的角落，減少管路堵塞風(fēng)險(xiǎn)，改善傳統(tǒng)制造的液壓塊內(nèi)部存在的泄漏、效率損失等問(wèn)題。Aidro hydraulics公司采用3D打印制造出了液壓閥（圖4a所示），對(duì)液壓閥塊的內(nèi)部管道進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，整個(gè)閥塊的體積更小，潛在的液體泄漏問(wèn)題也得以避免，并且將鋒利的角換成圓形彎曲的設(shè)計(jì)從而減少湍流現(xiàn)象［37］。

圖4 流體管道設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例Fig.4 Application cases of fluid pipeline design

傳統(tǒng)方式制造的冷卻水道只能是直線，且必須繞過(guò)零部件的最外層，以避免對(duì)模具型腔產(chǎn)生干擾，這就導(dǎo)致了冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問(wèn)題，因此，經(jīng)常會(huì)在冷卻過(guò)程的一開始就導(dǎo)致零部件上出現(xiàn)明顯的溫度變化［38］。AM技術(shù)使得隨形冷卻模具的設(shè)計(jì)和制造擺脫了傳統(tǒng)制造中交叉鉆孔的限制，使得內(nèi)部通道更靠近模具的冷卻表面，更快的流量提高了冷卻液的效率，此外，隨形冷卻水路還可以根據(jù)冷卻要求進(jìn)行不同的冷卻回路設(shè)計(jì)，從而以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性［39］（圖4b所示）。此外，AM使能的流道設(shè)計(jì)還應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人上的集成風(fēng)管的改造［36］、在聲學(xué)阻尼裝置的復(fù)雜內(nèi)部通路設(shè)計(jì)［40］以及優(yōu)化眼外科器械的流道設(shè)計(jì)［41］中的應(yīng)用。

1.5 熱交換器設(shè)計(jì)

AM對(duì)產(chǎn)品的重塑，不僅包括外觀，更重要的是對(duì)性能的提升。AM工藝可以制造具有薄壁、復(fù)雜曲面特征的零部件，這種技術(shù)特點(diǎn)應(yīng)用在熱交換器的制造具有明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的熱交換通常由焊接在一起的薄片材料制成，焊接工藝不僅增加了部件的整體重量，而且一個(gè)復(fù)雜的熱交換器是由許多小而復(fù)雜的部件組成的釬焊組件，使用傳統(tǒng)的方法制造成本很高，同時(shí)在制造過(guò)程中有可能帶來(lái)制造缺陷。傳統(tǒng)制造技術(shù)在制造緊湊而復(fù)雜的熱交換器產(chǎn)品方面的能力十分有限，而AM技術(shù)為熱交換器產(chǎn)品重塑帶來(lái)了新的可能性。

熱交換器的發(fā)展趨向于緊湊、輕便和高效，以適應(yīng)航空、航天、芯片制造領(lǐng)域的尺寸限制和重量限制。這些熱交換器用于燃料空氣后冷卻器，空調(diào)散熱器，電子冷卻，和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油冷卻器，每個(gè)熱交換器的設(shè)計(jì)、材料選擇和幾何形狀因使用的工作條件和工作流體的不同而不同［42］。Saltzman等制造了一種飛機(jī)機(jī)油冷卻器，空氣側(cè)壓降是傳統(tǒng)基準(zhǔn)冷卻器的兩倍，冷卻效率由10%提高到了14%［43］。Garde利用AM技術(shù)所提供的設(shè)計(jì)自由度，制造出一種復(fù)雜內(nèi)部特征的小直徑異型管式油冷卻器［44］。荷蘭電動(dòng)摩托車開發(fā)商Twente與K3D公司合作，為賽車行業(yè)開發(fā)了超級(jí)摩托車的電動(dòng)馬達(dá)冷卻外殼（圖5a所示），將薄殼體與其內(nèi)部冷卻通道整合集成，不僅提供了優(yōu)越的冷卻性能，而且質(zhì)量大大減輕［45］。HIETA公司自2011年起，致力于采用AM方法開發(fā)復(fù)雜、輕型結(jié)構(gòu)的金屬零件熱管理，其中最為典型的是設(shè)計(jì)了一種集成的歧管的環(huán)形換熱器（圖5b所示）［46］。馬里蘭大學(xué)利用AM的設(shè)計(jì)自由度，制造了

圖5 熱交換器設(shè)計(jì)的應(yīng)用案例Fig.5 Application cases of heat exchanger design

一種無(wú)翅片形管組的空氣熱交換器（圖5c所示），淚滴形狀的散熱管更有效進(jìn)行傳熱和空氣側(cè)壓降，與之前設(shè)計(jì)相比，設(shè)備重量減少了20%，效率提高了20%［47］。不來(lái)梅大學(xué)受自然界葉子形狀啟發(fā)，基于AM制造出一種新型熱交換器（圖5d所示），該冷卻系統(tǒng)將電腦中央處理器產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換成電能，為冷卻風(fēng)扇提供動(dòng)力［48］。

2 面向增材制造的零件工藝設(shè)計(jì)

AM工藝過(guò)程可看作材料按照“點(diǎn)→線→面→體”在三維空間的生長(zhǎng)，材料的堆積生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)最終的機(jī)械性能有重要影響。傳統(tǒng)3軸AM系統(tǒng)只有一個(gè)建造方向，材料建造方向一旦確定，零件的制造過(guò)程就變?yōu)橐幌盗?.5維平面層的線性疊加，導(dǎo)致了AM零件的各向異性，使零件的機(jī)械性能下降，這種現(xiàn)象在擠出式增材制造（Extrusion-based Additive Manufacturing，EAM）中尤為顯著［49］。而事實(shí)上，各向異性并不是導(dǎo)致零件機(jī)械性能下降的直接誘因，根本原因在于零件材料各向異性強(qiáng)度與零件的各向異性應(yīng)力不一致。因此如何深刻理解各向異性從而利用這一特性以趨利避害成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。受自然界“應(yīng)力與生長(zhǎng)關(guān)系”（如骨骼密度與應(yīng)力密切相關(guān)、樹木的應(yīng)力生長(zhǎng)）的啟發(fā)，如果AM工藝也能夠按照零件所承受的載荷進(jìn)行規(guī)劃，使材料的分布和走向能夠最大程度上與零件的應(yīng)力大小和方向相一致，那么在提高零件機(jī)械性能的同時(shí)，也減少了材料的冗余從而達(dá)到“物盡其用”（如Masania等利用EAM使熱致性液晶聚合物分子主鏈沿應(yīng)力方向組裝生成性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他聚合物的材料［50］）。

多軸擠出式增材制造（Multi-Axis Extrusionbased Additive Manufacturing，MAEAM）突破了原有3軸EAM的限制，不再局限于單一的建造方向，材料可以多方向生長(zhǎng)。零件層理（層的形態(tài)）與紋理（層內(nèi)軌跡）的組合反映了零件材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可看作是對(duì)其所承受載荷的一種智能響應(yīng)，這樣即使相同幾何零件的工況不同，其工藝設(shè)計(jì)也應(yīng)不同，宏觀上表現(xiàn)出的機(jī)械性能也就不同。MAEAM激發(fā)了三維空間內(nèi)零件材料生長(zhǎng)的靈活性與可控性，提供了使材料生長(zhǎng)更為仿生、更加符合零件應(yīng)力特征新的可能性。本節(jié)以EAM工藝為研究對(duì)象，從層內(nèi)軌跡規(guī)劃、建造方向選擇、分區(qū)域多方向建造以及曲面分層設(shè)計(jì)四個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行探討。

2.1 層內(nèi)軌跡規(guī)劃

零件層內(nèi)各向異性體現(xiàn)在絲材之間熔接線處的受力薄弱環(huán)節(jié)，層內(nèi)軌跡的位置與走向直接影響零件的機(jī)械性能，不同的軌跡樣式帶來(lái)不同的性能表現(xiàn)。傳統(tǒng)的軌跡生成主要基于零件的幾何信息，大多采用均勻同構(gòu)樣式，并未考慮零件實(shí)際工況下的載荷信息。Gardan等［51］以標(biāo)準(zhǔn)拉伸件為對(duì)象，比較根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)設(shè)計(jì)的軌跡與傳統(tǒng)填充方式的軌跡所制造樣件的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)沿應(yīng)力方向設(shè)計(jì)所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能優(yōu)于其它傳統(tǒng)樣式，其拉伸強(qiáng)度最大可提高45%左右。Stauben等［52］提出零件內(nèi)部填充樣式應(yīng)該是其應(yīng)力分析結(jié)果的函數(shù)，軌跡不應(yīng)是同構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)樣式而應(yīng)是基于應(yīng)力場(chǎng)設(shè)計(jì)的異構(gòu)模式。Wang等［53］提出了一種力流引導(dǎo)下的各向異性與荷載路徑匹配的理論和方法提高零件的機(jī)械性能。此外，與試圖通過(guò)特殊的工藝設(shè)計(jì)減小各向異性（認(rèn)為各向異性是缺點(diǎn)）的做法不同，事實(shí)上利用各向異性在工程界（如復(fù)合材料、ABS中添加碳纖維）和自然界（貝殼表面的增強(qiáng)纖維、竹材的疏密梯狀纖維）普遍存在［54］。通過(guò)在層內(nèi)鋪設(shè)連續(xù)纖維（如碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維等）的方式，賦予了復(fù)合材料高模量、高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)異的機(jī)械性能，對(duì)提升零件整體或局部機(jī)械性能起到了重要作用［55］。研究表明，如果纖維布置方向與零件載荷方向相差10度，機(jī)械性能會(huì)下降80%［56］。Kam等［57］探討了應(yīng)力線在AM中的應(yīng)用，研究了沿應(yīng)力線進(jìn)行熔融沉積制造（FDM）以克服AM各向異性，并應(yīng)用KUKA六軸機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。

2.2 建造方向選擇

建造方向影響零件的機(jī)械性能，同時(shí)也關(guān)系到零件的支撐結(jié)構(gòu)、表面粗糙度以及建造效率等。現(xiàn)有研究表明，EAM零件的強(qiáng)度及延展性等性能很大程度上取決于所施加載荷的方向，垂直于建造平面的單向拉伸試樣其強(qiáng)度和平行于建造平面的試樣相差50%左右［58］。材料的層與層之間連接處的受力薄弱環(huán)節(jié)表現(xiàn)出較差抗拉性能以及抗剪切性能，根據(jù)零件的受力情況優(yōu)化建造方向，如使建造方向與拉應(yīng)力正交等可以提升零件的機(jī)械性能。Klahn等［59］據(jù)此對(duì)卡扣類零件在其特定受力情況下的建造方向進(jìn)行優(yōu)化以提高其機(jī)械性能。Hambali［60］研究了基于啟發(fā)式規(guī)則來(lái)選擇建造方向，例如零件包含大的平面特征，則建造方向應(yīng)該垂直于該平面；而如果零件存在孔這樣的特征，則建造方向應(yīng)該平行于孔的軸線等準(zhǔn)則（如同傳統(tǒng)減材制造中“制造特征”對(duì)于工藝規(guī)劃如選擇刀具等具有重要作用一樣，“EAM特征”，即具有一定形狀和功能且對(duì)EAM工藝規(guī)劃有影響的幾何實(shí)體，對(duì)工藝規(guī)劃如選擇建造方向的影響同樣需要深入研究）。對(duì)于復(fù)雜幾何形狀的零件，考慮其應(yīng)用時(shí)應(yīng)力狀態(tài)以及其它因素，所得到的所謂最優(yōu)方向往往是某種折中或妥協(xié)的結(jié)果，意味著所謂的最優(yōu)可能是局部最優(yōu)，而非全局最優(yōu)解。

2.3 多個(gè)方向建造

為克服傳統(tǒng)3軸EAM只能沿固定的一個(gè)方向打印的缺陷，近年來(lái)機(jī)器人使能的零件分區(qū)域、多方向建造逐漸成為研究熱點(diǎn)。Yerazunis等［61］基于3軸的機(jī)械臂和2自由度傾斜平臺(tái)，打印出了沿應(yīng)力載荷的半球形壓力帽，通過(guò)與傳統(tǒng)打印件比較，強(qiáng)度提高了4.5倍。Tam和Mueller［62］使用6軸機(jī)械臂多方向打印出了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)的零件，該零件不僅保證了打印路徑與主應(yīng)力線對(duì)齊，且具有較好的表面質(zhì)量。Wu等［63］以免支撐優(yōu)化建造順序?yàn)槟繕?biāo)開發(fā)了以打印過(guò)程擠出頭固定，機(jī)器人工作平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的多方向建造EAM系統(tǒng)。Ishak等應(yīng)用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了多方向、免支撐三維建造［64］。由于分區(qū)域、多向建造限于擠出頭的可達(dá)性不可避免地會(huì)出現(xiàn)干涉問(wèn)題，對(duì)此Wu［63］提出一種平面小角度擾動(dòng)以避免干涉的方法，但此方法也具有一定的局限性，不能解決所有的干涉問(wèn)題。針對(duì)大尺寸零件打印，Song等［65］基于零部件的可裝配性、效率、穩(wěn)定性等方面，對(duì)零件的切割劃分提出了相關(guān)的算法，具有較高的普適性。但所提出的區(qū)域劃分方法都是以考慮幾何外形為基礎(chǔ)，并未考慮到零件的應(yīng)力狀態(tài)。Tang等［66］提出了考慮幾何特征同時(shí)避開應(yīng)力集中區(qū)域的劃分方法雖然考慮了應(yīng)力問(wèn)題，但并未對(duì)劃分區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布對(duì)建造方向的影響給予重視?？傮w上，有關(guān)多方向建造的研究目前主要集中在減少支撐、改善表面質(zhì)量及提升建造效率等方面。

2.4 曲面分層設(shè)計(jì)

零件曲面分層制造是近年來(lái)提出的一種用于含有曲面特征、殼體類零件或改善平面層打印的零件表面質(zhì)量的EAM新策略。一方面對(duì)于EAM零件具有小尺寸且關(guān)鍵的表面特征的情況，采用傳統(tǒng)平面層的自適應(yīng)切片產(chǎn)生的階梯效應(yīng)會(huì)降低零件的表面質(zhì)量，而且必須使用大量的薄片來(lái)保存表面的關(guān)鍵特征，而曲面分層較少的薄片就可以精準(zhǔn)的保證表面特征且表面質(zhì)量明顯優(yōu)于僅具有平面層的零件。另一方面，對(duì)于像拉伸試樣載荷簡(jiǎn)單的零件來(lái)說(shuō)可以通過(guò)規(guī)劃零件建造方向，使打印路徑沿應(yīng)力軌跡線，但實(shí)際工況下零件受力較為復(fù)雜，很難通過(guò)改變建造方向來(lái)避免載荷穿越打印路徑或?qū)娱g。為了適應(yīng)這些更復(fù)雜的載荷條件，沉積層的形態(tài)以及沉積策略都需要更高的靈活性。Guan等［67］研究了不同曲率曲面層對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響，并與傳統(tǒng)的平面分層方法進(jìn)行了比較，得出曲面層具有較好的抗彎強(qiáng)度。Khurana等［68］研究了曲面層形狀的變化對(duì)零件彎曲強(qiáng)度的影響，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)表明含有曲面層的零件具有卓越的結(jié)構(gòu)性能。采用曲面層或曲面與平面結(jié)合的零件分層能夠一定程度上提升零件的機(jī)械性能和零件表面質(zhì)量。關(guān)于曲面層切片算法方面的研究，Llewellyn等［69］提出了一種自動(dòng)生成曲面層的方法，該方法使零件曲面層切片成為可能。Mccaw和Cuan［70］采用了一種沿任意順序的貝塞爾曲面生成非平面層的方法。Huang 和 Singamneni［71］將平面切片法和曲面切法結(jié)合，將混合切片法成功地應(yīng)用于三個(gè)試驗(yàn)實(shí)例，證明了該方法的可行性和有效性。上述曲面層切片算法僅考慮了AM零件的幾何特征和制造特征，而結(jié)合零件應(yīng)力特征的非線性切片算法以及線性與非線性混合切片算法還有待研究。

3 發(fā)展趨勢(shì)

在總結(jié)分析DFAM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

（1）AM零件一體化設(shè)計(jì)

AM零件設(shè)計(jì)與制造一體化。AM技術(shù)相比傳統(tǒng)制造技術(shù)在復(fù)雜零件制造上具有巨大優(yōu)勢(shì)，然而現(xiàn)有AM零件設(shè)計(jì)中大部分沒(méi)有充分考慮AM制造技術(shù)特性及工藝約束，導(dǎo)致零件的設(shè)計(jì)與制造不兼容，設(shè)計(jì)解不等于制造解。因此，AM設(shè)計(jì)與制造應(yīng)充分融合，在零件設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮AM的制造技術(shù)特性，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)提高零件性能。同時(shí)，充分考慮AM的特性和約束，實(shí)現(xiàn)從AM零件設(shè)計(jì)與制造的割裂分離到設(shè)計(jì)與制造的深度融合一體化設(shè)計(jì)。

AM零件結(jié)構(gòu)和材料一體化。得益于AM工藝特性和制造的多尺度特性，AM零件材料與結(jié)構(gòu)的邊界趨于模糊，零件制造過(guò)程中材料和結(jié)構(gòu)同時(shí)生成，即宏觀上的零件結(jié)構(gòu)由材料構(gòu)成，介觀和微觀下的材料包含胞狀或格狀等結(jié)構(gòu)，這是AM零件的顯著特征。因此，如何進(jìn)行AM零件結(jié)構(gòu)和材料多尺度協(xié)同優(yōu)化將是一個(gè)重要研究課題。

（2）多尺度下異構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前胞狀結(jié)構(gòu)的研究大部分集中在均勻周期性胞狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以均勻、同構(gòu)的胞狀結(jié)構(gòu)替代實(shí)體結(jié)構(gòu)雖然可以減輕零件重量，但由于此類結(jié)構(gòu)與零件的應(yīng)力場(chǎng)并不協(xié)調(diào)，所以并不是最優(yōu)質(zhì)的輕量化結(jié)構(gòu)。此外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往只關(guān)注于單元胞諸如拓?fù)?、幾何、方位、尺寸等設(shè)計(jì)變量的一個(gè)或兩個(gè)上，沒(méi)有進(jìn)行全變量、全自由度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，未能綜合考慮設(shè)計(jì)變量對(duì)結(jié)構(gòu)最終性能的影響。

因此，通過(guò)設(shè)計(jì)單元胞屬性（拓?fù)?、幾何、方位、尺寸等）與載荷（大小、方向、性質(zhì)）的自適應(yīng)映射，實(shí)現(xiàn)從均勻同構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)到與載荷協(xié)調(diào)的非均勻異構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)零件超輕量化設(shè)計(jì)。策略上可采用“分而治之”的思想，將高度復(fù)雜的多尺度下設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題分解為宏觀層面上的拓?fù)鋬?yōu)化、介觀層面的胞狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及單元胞層面上的支桿尺寸優(yōu)化等多層級(jí)優(yōu)化問(wèn)題。這種逐級(jí)優(yōu)化過(guò)程類似于機(jī)械加工中不斷去除多余材料的“粗加工-半精加工-精加工”工藝，在保持“健壯體格”前提下的不斷“瘦身”，技術(shù)路線如圖6所示。總體思路將零件實(shí)際工況下的應(yīng)力作為激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)控制變量以達(dá)到預(yù)期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）面向零件性能的AM工藝設(shè)計(jì)

目前關(guān)乎零件性能的工藝設(shè)計(jì)并沒(méi)有引起太多關(guān)注，傳統(tǒng)AM工藝設(shè)計(jì)目標(biāo)是材料以最高效的方式填充整個(gè)設(shè)計(jì)空間，最大程度上匹配“原型幾何要求”，而“零件性能要求”需要材料的分布和走向與零件實(shí)際工況下所需性能相協(xié)調(diào)填充設(shè)計(jì)空間。由于影響AM零件性能的根本原因是工藝過(guò)程帶來(lái)的零件的性能各向異性與零件實(shí)際工況下性能需求不匹配。因此，如何通過(guò)工藝設(shè)計(jì)引導(dǎo)和控制各向異性實(shí)現(xiàn)“幾何”和“性能”的雙控是提升零件性能的關(guān)鍵。

以面向零件機(jī)械性能的AM工藝設(shè)計(jì)為例，藝設(shè)計(jì)總體目標(biāo)是將工藝過(guò)程中“線→面”、“面→體”、“體→零件”的三個(gè)階段與零件的應(yīng)力信息保持最大程度上響應(yīng)。因此，可根據(jù)零件應(yīng)力信息生成主應(yīng)力軌跡線，進(jìn)而設(shè)計(jì)AM過(guò)程中材料在零件內(nèi)的分布和走向以控制各向異性，使得零件材料最終形成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是對(duì)其所承受應(yīng)力自下而上多層級(jí)智能響應(yīng)的結(jié)果。進(jìn)一步，通過(guò)探索基于零件應(yīng)力來(lái)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，可建立零件“工藝-結(jié)構(gòu)-性能”（Processmeso Structure-Property，PSP）關(guān)系模型，從而提高零件的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)效能，實(shí)現(xiàn)AM零件從“幾何”到“性能”的智能化定制，技術(shù)路線如圖7所示。此外，PSP內(nèi)在映射機(jī)理還可以拓展到面向除應(yīng)力場(chǎng)外的其它物理場(chǎng)，如面向溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或多物理場(chǎng)耦合時(shí)，如何基于性能調(diào)控實(shí)現(xiàn)AM零件材料排布的工藝設(shè)計(jì)。

圖6 多尺度下異構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.6 Research outline of multi-scale heterogeneous cellular design

圖7 面向零件性能的AM工藝設(shè)計(jì)技術(shù)路線Fig.7 Research outline of Performance-oriented process planning

（4）連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的復(fù)合材料制備技術(shù)（如壓熱罐成型技術(shù)、傳遞塑模成型技術(shù)及纏繞成型技術(shù)等）相比，基于EAM的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工藝的主要優(yōu)勢(shì)在于成本低、周期短，能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造。以連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性聚合物高性能復(fù)合材料零件制造為目標(biāo)，采用連續(xù)纖維和熱塑性聚合物為原料，利用復(fù)合浸漬-熔融沉積的EAM工藝實(shí)現(xiàn)零件復(fù)合材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成形的AM技術(shù)。實(shí)現(xiàn)具有擠出材料的高度靈活性（擠出純聚合物或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）和可控性（可選擇性定向增強(qiáng)，各向異性可控）的連續(xù)纖維的布置。此外，由于碳纖維具有較好的導(dǎo)電性能，而熱塑性基體材料具有良好的電絕緣性能，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)合理排布碳纖維在零件內(nèi)部的走向，設(shè)計(jì)具有良好電磁屏蔽功能的復(fù)合材料零部件，對(duì)于航空航天關(guān)鍵零部件的制造具有重要意義。

4 結(jié)論

AM帶來(lái)的不僅僅是制造技術(shù)的革命，更重要的是零件設(shè)計(jì)方法的革命，設(shè)計(jì)者只有打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思維，才能最大限度地挖掘和發(fā)揮AM技術(shù)潛力和優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)方面較為系統(tǒng)地論述了面向AM的零件設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)異構(gòu)胞狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于主應(yīng)力軌跡線的工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。一方面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究將完善DFAM介觀尺度設(shè)計(jì)理論與方法，實(shí)現(xiàn)零件宏觀、介觀及微納觀多個(gè)尺度的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。另一方面工藝設(shè)計(jì)研究旨在構(gòu)建可設(shè)計(jì)、可控制各向異性的完整工藝設(shè)計(jì)鏈條，實(shí)現(xiàn)與零件載荷相適應(yīng)的材料結(jié)構(gòu)化性能定制，為提高零件機(jī)械性能提供新的理論與方法支持。