面向增材制造產(chǎn)品的全生命周期綠色設(shè)計平臺研究

狄 飛， 李晶瑩， 吳進軍,， 王 營

（1.機械科學(xué)研究總院， 北京 100044； 2.中機生產(chǎn)力促進中心， 北京 100044）

0 引言

增材制造（Additive Manufacturing，AM），又稱為3D打印， 是采用基于離散堆積原理將所建立的幾何模型逐層堆積材料制造成所需產(chǎn)品， 區(qū)別于傳統(tǒng)的切削減材加工制造模式， 打破了傳統(tǒng)制造模式下產(chǎn)品設(shè)計制造的局面，是一種從無到有的有規(guī)律累加材料的制造技術(shù)。經(jīng)過30 多年的發(fā)展，AM 技術(shù)的發(fā)展趨勢已經(jīng)逐步從零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動制造轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨藬?shù)字化制造， 成為先進制造業(yè)中具有發(fā)展前景的制造技術(shù)之一[1]，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析預(yù)計到2030 年全球金屬增材制造收入將突破300 億美元。 在制造內(nèi)容方面上，由于AM 技術(shù)的逐步成熟，使其制造產(chǎn)品不斷邁向高端機電產(chǎn)品、復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、金屬多材料復(fù)合產(chǎn)品等更高一級臺階。 在制造創(chuàng)新上，AM 技術(shù)從設(shè)計到制造已經(jīng)顯現(xiàn)出獨特的潛在節(jié)能優(yōu)勢。 為逐步實現(xiàn)AM 產(chǎn)品復(fù)雜化、制造環(huán)境多樣化、制造精度更高、材料優(yōu)化使用、完整化結(jié)構(gòu)制造等追求目標，在工業(yè)應(yīng)用方面及增材制造可持續(xù)性設(shè)計生產(chǎn)管理方面具有一定的挑戰(zhàn)， 在快速發(fā)展技術(shù)的同時也亟需構(gòu)建增材制造協(xié)同設(shè)計平臺來實現(xiàn)低成本、節(jié)能、高效的生產(chǎn)模式。

本文提出的增材制造綠色設(shè)計平臺是在整個AM 全生命周期內(nèi)構(gòu)建， 開展綠色設(shè)計平臺建設(shè)方案和應(yīng)用評估的研究， 并體現(xiàn)AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計在全生命周期內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計、制造、后處理、測試、使用及再制造等各個環(huán)節(jié)的必要性。

1 建設(shè)內(nèi)容

建設(shè)增材制造產(chǎn)品綠色設(shè)計平臺的目的不僅在于產(chǎn)品設(shè)計是否輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程度、產(chǎn)品功能是否得到改善等問題的解決， 而是在AM 全生命周期內(nèi)將綠色設(shè)計與生產(chǎn)制造產(chǎn)品需求相結(jié)合， 在提高制造技術(shù)的同時建立選材、設(shè)備、工藝、資源、制造成本和質(zhì)檢評估相互交互的平臺， 并制定綠色設(shè)計標準對設(shè)計作出評估分析和約束。 對基于AM 的產(chǎn)品綠色設(shè)計，不能局限于提高產(chǎn)品性能， 還需要針對產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計和特定工藝設(shè)計進行優(yōu)化，旨在全生命周期內(nèi)的所有相關(guān)方面得到提升，實現(xiàn)AM 產(chǎn)業(yè)鏈的高效可靠生產(chǎn)。

隨著制造技術(shù)的成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的擴展， 面向AM產(chǎn)品設(shè)計需求也逐步提高。 面向增材制造設(shè)計是側(cè)重于AM 過程，而AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計是面向整個產(chǎn)品系統(tǒng)從設(shè)計到再制造全生命周期內(nèi)技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境協(xié)同的系統(tǒng)化設(shè)計[2]，具體分為產(chǎn)品需求、產(chǎn)品性能優(yōu)化設(shè)計、AM 能力、材料工藝設(shè)備選取、成本估算、構(gòu)建注意事項、AM 過程與處理約束、產(chǎn)品質(zhì)檢認證評估等各個方面。

近幾年，業(yè)內(nèi)有不少人持續(xù)關(guān)注AM 設(shè)計，從產(chǎn)品建模到設(shè)計框架再到搭建設(shè)計平臺， 需要建立一個以AM驅(qū)動的綠色設(shè)計平臺來保證AM 設(shè)計的持續(xù)發(fā)展。Alexander Jacob 等[3]以改進制造技術(shù)和追求產(chǎn)品創(chuàng)新為目標， 將產(chǎn)品通過參數(shù)進行模塊化和對產(chǎn)品分解以及產(chǎn)品和制造技術(shù)之間的依賴關(guān)系進行建模， 在類模型中描述制造技術(shù)后確定該產(chǎn)品的可能用到的制造技術(shù)， 并將其組合到技術(shù)鏈中， 再基于多標準評估確定關(guān)鍵產(chǎn)品和制造技術(shù)參數(shù)，最終量化調(diào)整參數(shù)所帶來的影響，從而實現(xiàn)產(chǎn)品模塊和生產(chǎn)技術(shù)的在迭代修改中逐步優(yōu)化生產(chǎn)。H. Bikas 等[4]構(gòu)建了AM 驅(qū)動的設(shè)計框架通過數(shù)據(jù)分析方法實現(xiàn)因素權(quán)重和設(shè)計方法， 實現(xiàn)了AM 設(shè)計者對預(yù)知的需求可以用確定最佳工藝參數(shù)的集成機器學(xué)習(xí)算法來代替。 為提供統(tǒng)一一致的設(shè)計語言和表達，Patrick Prade等[5]提供了一個將AM 設(shè)計知識映射到典型設(shè)計過程的框架中，基于通用設(shè)計模型歸納了整個設(shè)計過程中所涉及到的知識，并總結(jié)了AM 設(shè)計的特點和局限性。Sbrugnera Sotomayor Nicolas Alberto 等[6]提出了面向AM 工作流設(shè)計的優(yōu)化、設(shè)計和仿真工具，以減少通過不同工作流評估生成的設(shè)計評估數(shù)量，并提出了針對AM 的設(shè)計優(yōu)化策略，用以提高AM 能力。對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，János Plocher 等[7]基于多目標優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合AM 設(shè)計框架使用拓撲、網(wǎng)格進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，以便在未來集成多個AM 方面設(shè)計。對于設(shè)計應(yīng)用方面，E.Meli 等[8]利用AM 與拓撲優(yōu)化技術(shù)，將整個生產(chǎn)過程優(yōu)化設(shè)計為目標，提出了離心壓縮機3D葉輪工程化再設(shè)計制造的一般框架， 在結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的質(zhì)量降低、應(yīng)力優(yōu)化方面提供了最佳結(jié)果。

在建設(shè)AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計平臺過程中， 需要考慮到在全生命周期內(nèi)涉及到產(chǎn)品設(shè)計的整體工作流， 關(guān)鍵技術(shù)、協(xié)同設(shè)計應(yīng)用平臺、目標層以及需要的制造系統(tǒng)等。產(chǎn)品全生命周期包含產(chǎn)品從設(shè)計到再制造的各個階段，每個階段需要在產(chǎn)品設(shè)計過程中進行全面規(guī)劃， 主要有模型設(shè)計、材料設(shè)計、工藝設(shè)計、制造設(shè)計、后處理設(shè)計等方面。 在AM 全生命周期設(shè)計過程，有必要確定從建設(shè)目標、應(yīng)用方法、關(guān)鍵技術(shù)、制造系統(tǒng)等角度，創(chuàng)建AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計平臺架構(gòu)來定義設(shè)計內(nèi)容及相關(guān)因素， 具體架構(gòu)見圖1。

2 建設(shè)方案

2.1 建設(shè)流程

為優(yōu)化AM 產(chǎn)品設(shè)計和提高其生產(chǎn)效率， 需要建立AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計的工作流程，如圖2 所示。 整個流程包括四個主要階段，分別是產(chǎn)品設(shè)計、綠色優(yōu)化、制造優(yōu)化及綠色評估。

圖2 AM 產(chǎn)品的綠色設(shè)計工作流程

第一階段的產(chǎn)品設(shè)計包括設(shè)計參數(shù)、 前期的產(chǎn)品建模工作以及有限元分析任務(wù)。在產(chǎn)品設(shè)計方面，不僅包括對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化和輕量化設(shè)計等方面的規(guī)則約束，還有產(chǎn)品三維模型的構(gòu)建，創(chuàng)建出STL 格式文件方便制造過程參數(shù)的獲取和制造優(yōu)化。

第二階段的綠色優(yōu)化主要包括對AM 技術(shù)和制造材料的選擇等因素，對于綠色優(yōu)化集中體現(xiàn)在對建模M、選材S、能耗E、技術(shù)T、結(jié)構(gòu)S、制造周期C 等多目標優(yōu)化，建立多目標優(yōu)化系統(tǒng)， 可表示為六元組U={M，S，E，T，S，C}。 而多目標優(yōu)化就是將需要達成的綠色優(yōu)化目標分解為多個需要優(yōu)化的子目標ui={mi，si，ei，ti，si，ci} （i=1，2，3，…，n），然后再依據(jù)客觀數(shù)據(jù)對每個優(yōu)化后的子目標ui分別賦予綜合權(quán)重W={wm，ws，we，wt，wsS，wc}（0≤w≤1），使得多目標優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標函數(shù)尋求最優(yōu)解， 合理的選擇技術(shù)與材料直接影響到后續(xù)的產(chǎn)品綠色評估。

在進行下一階段前還需要優(yōu)化規(guī)劃， 定義產(chǎn)品約束和受載條件，利用軟件進行過程模擬仿真及有限元分析，表1 為3D 打印產(chǎn)品常用仿真軟件統(tǒng)計。優(yōu)化規(guī)劃階段是指AM 從設(shè)計走向制造過程的具有數(shù)字化階段， 其作用就在于通過前期的多次設(shè)計迭代來驗證設(shè)計方案的可行性，形成具有適當(dāng)?shù)淖詤?shù)設(shè)計能力。 文獻[6]指出ANSYS 與3D-Experience 等軟件平臺已在統(tǒng)一軟件界面實現(xiàn)了在拓撲優(yōu)化、有限單元驗證、AM 材料調(diào)用、AM 過程模擬等所需要的集成計算機輔助工具， 對設(shè)計過程參數(shù)及數(shù)據(jù)交換十分有利。因此，設(shè)計過程中的優(yōu)化規(guī)劃就是為了解釋設(shè)計結(jié)果的合理性。

表1 AM 產(chǎn)品常用仿真軟件統(tǒng)計

第三階段的制造優(yōu)化是在前期的設(shè)計迭代優(yōu)化的基礎(chǔ)上對制造產(chǎn)品的材質(zhì)、 制造設(shè)備以及工藝特性進一步定義， 再利用過程模擬和驗證分析對產(chǎn)品進行性能測試和質(zhì)檢驗證。最后對一整套設(shè)計制造流程進行綠色評估，評估此設(shè)計流程對該產(chǎn)品的適宜程度，主要包含：①AM材料與產(chǎn)品需求是否匹配； ②產(chǎn)品設(shè)計是否符合AM 硬件情況； ③通過優(yōu)化迭代是否使得產(chǎn)品性能有所改善[9]；④對產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化結(jié)果進行可靠性分析； ⑤該設(shè)計所達到的可持續(xù)性，如減少產(chǎn)品的材料含量、延長了產(chǎn)品使用壽命、減少能源消耗等環(huán)境與經(jīng)濟效益方面[10]。 最后將設(shè)計參數(shù)與評估數(shù)據(jù)形成綠色評價體系和案例庫， 為后續(xù)其他產(chǎn)品的設(shè)計提供數(shù)字化技術(shù)支撐， 實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計打印產(chǎn)品。

因此， 綠色設(shè)計平臺與一般AM 設(shè)計平臺的主要區(qū)別體現(xiàn)在前者擁有綠色優(yōu)化和綠色評估， 并通過綠色程度和優(yōu)化參數(shù)來衡量綠色設(shè)計的情況。 具體評估參數(shù)可分為AM 技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計、AM 設(shè)備、產(chǎn)品性能分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品材料及可靠性等7 個方面。先對目標產(chǎn)品進行相關(guān)參數(shù)的評估， 再將綠色設(shè)計優(yōu)化前后的產(chǎn)品與目標產(chǎn)品進行可視化比較， 最后利用評估結(jié)果量化得出綠色設(shè)計優(yōu)化率η。

圖3 是AM產(chǎn)品綠色設(shè)計評估指標的示例，不同產(chǎn)品在不同參數(shù)下得到的設(shè)計分析結(jié)果，后期可根據(jù)生成的分析情況對設(shè)計相關(guān)參數(shù)進行選取， 用戶也可根據(jù)分析情況來了解產(chǎn)品制造技術(shù)從而制定個性化生產(chǎn)方案。

圖3 AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計分析示例

2.2 綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫

在AM 產(chǎn)品設(shè)計制造過程中會產(chǎn)生大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)形成多類型的數(shù)據(jù)庫，例如用來選材的材料庫、能夠提供綠色設(shè)計的數(shù)據(jù)庫、提供工藝過程模擬的數(shù)據(jù)庫以及做綠色評估的數(shù)據(jù)庫，因此面向AM 產(chǎn)品全生命周期的綠色設(shè)計數(shù)據(jù)庫見圖4。

圖4 AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫

AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫的存在，既可以作為綠色設(shè)計平臺的資源， 同時也能夠為平臺提供原始設(shè)計數(shù)據(jù)， 擴展平臺數(shù)據(jù)溯源功能， 使得該平臺更具數(shù)字化特征。在使用平臺進行設(shè)計制造過程中，根據(jù)平臺的設(shè)置以不同的方式展示給用戶和研發(fā)人員。對于用戶，將設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化前后的產(chǎn)品模型通過數(shù)據(jù)可視化功能展現(xiàn)在客戶端，能夠?qū)崿F(xiàn)按照用戶需求進行產(chǎn)品設(shè)計；對于研發(fā)人員，更專注于產(chǎn)品優(yōu)化參數(shù)和如何優(yōu)化，依照產(chǎn)品全生命周期每個階段輸入輸出的數(shù)據(jù)進行設(shè)計， 或是直接對所形成的案例庫中產(chǎn)品模型和制造技術(shù)模型進行調(diào)整使用。 利用信息數(shù)據(jù)庫，不但能起到降低設(shè)計成本的作用，還為搭建數(shù)字化設(shè)計平臺提供可靠的數(shù)據(jù)支撐， 最終形成一條數(shù)字化產(chǎn)品AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈。

2.3 綠色設(shè)計平臺構(gòu)建

在建設(shè)面向AM 產(chǎn)品全生命周期的綠色設(shè)計平臺中，以AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計資源共建共享為目標，關(guān)鍵是解決資源配置、數(shù)據(jù)共享問題，從資源、服務(wù)、技術(shù)及工具等角度出發(fā)，有效利用AM 技術(shù)帶來的制造資源，縮短制造周期，提高復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計效率，使得客戶能夠瀏覽更具透明化的產(chǎn)品設(shè)計資源，極大程度滿足客戶多樣化設(shè)計需求。 基于AM 產(chǎn)品的全生命周期綠色設(shè)計平臺架構(gòu)分為應(yīng)用層、服務(wù)層、工具層、技術(shù)層和資源層，平臺框架見圖5。

圖5 基于AM 產(chǎn)品的全生命周期綠色設(shè)計平臺框架

資源層是綠色設(shè)計平臺的基礎(chǔ)， 將多種類型資源進行虛擬化匯集到平臺中供用戶調(diào)用。 主要有產(chǎn)品全生命周期內(nèi)涉及到的軟硬件設(shè)備、 信息數(shù)據(jù)庫以及工業(yè)裝備系統(tǒng)， 能夠在設(shè)計過程中幫助研發(fā)人員完成設(shè)計任務(wù)和方便用戶選擇產(chǎn)品設(shè)計資源。

技術(shù)層不止含有AM 技術(shù)存在， 還包括制造過程中所需的各項技術(shù)，有數(shù)據(jù)整合技術(shù)、云服務(wù)技術(shù)、信息安全保障技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)等， 是將設(shè)計資源進行虛擬化處理，提供具有信息安全保障的技術(shù)環(huán)境。

工具層更多體現(xiàn)的是一種綠色設(shè)計能力， 包含建模仿真、數(shù)據(jù)采集、過程模擬、性能檢測等工具，處處體現(xiàn)數(shù)字化， 采集生產(chǎn)過程中的源頭數(shù)據(jù)和測量的數(shù)據(jù)匯集并進行數(shù)據(jù)挖掘獲取有用的設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化信息， 將設(shè)計和制造技術(shù)通過參數(shù)數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)出來。

服務(wù)層是構(gòu)建綠色設(shè)計平臺的關(guān)鍵，包含各種設(shè)計、評估、知識推送、工具共享等服務(wù)，在協(xié)同設(shè)計過程中提供多種技術(shù)互聯(lián)服務(wù)， 而知識推送服務(wù)的存在對設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈的形成起到推動作用。除此之外，還有設(shè)計過程中的任務(wù)分配服務(wù)、數(shù)據(jù)保障服務(wù)等，實現(xiàn)平臺為用戶提供高質(zhì)量高保障的設(shè)計服務(wù)。

應(yīng)用層即為綠色設(shè)計平臺的外殼， 將平臺的所有功能通過用戶界面最為直觀的展示出來， 為用戶呈現(xiàn)基于AM 的建模、仿真、協(xié)同設(shè)計與制造全部情況，同時也能夠通過界面獲取任務(wù)分配和進展情況， 便于協(xié)同設(shè)計完成任務(wù)需求。

2.4 AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計標準的制定

國內(nèi)目前對3D 打印行業(yè)十分重視，技術(shù)方面及制造裝備的某些性能也得到了極大的提升， 但仍舊面臨AM標準制定有待完善、專有制造材料不夠體系化等問題。 文獻[10]指出標準研究是AM 技術(shù)發(fā)展達到標準化的必然需求， 而國際AM 相關(guān)組織機構(gòu)制定了AM 標準實現(xiàn)的架構(gòu)與路線圖，并詳細說明了標準分類內(nèi)容，有助于完善AM 標準體系。 文獻[11]對國際上SAE、ASTM、ISO 等組織機構(gòu)制定的AM 標準發(fā)布情況及內(nèi)容進行了詳細的匯總，為國內(nèi)AM 研發(fā)人員、建立AM 綠色設(shè)計平臺及標準提供參考。

對于AM 相關(guān)標準的制定情況，截止至2021 年8 月國內(nèi)外發(fā)布的AM 類現(xiàn)行標準數(shù)量與內(nèi)容統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2 所示。 根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，國際標準大多是美德日等發(fā)達國家發(fā)布，對AM 基本術(shù)語、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用方法等方面進行了規(guī)范表述。 在國內(nèi)，雖然AM 技術(shù)得到了快速發(fā)展，但是在標準相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)布上還需要繼續(xù)填補空缺。 圖6 為AM 綠色設(shè)計標準的制定技術(shù)路線。

圖6 面向AM 產(chǎn)品的綠色設(shè)計標準制定技術(shù)路線

表2 國內(nèi)外AM 類標準發(fā)布現(xiàn)行標準數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總（ 統(tǒng)計至2021 年8 月）

3 結(jié)束語

AM 產(chǎn)品綠色設(shè)計的目的不僅是為了在設(shè)計過程中實現(xiàn)制造和工藝流程等達到縮短制造周期的目標，還需要在設(shè)計過程中增添綠色優(yōu)化和綠色評估等綠色設(shè)計相關(guān)特征，使得綠色設(shè)計應(yīng)用于設(shè)計、選材、制造、后處理、評估、使用、再制造整個全生命周期內(nèi)，而不是專注于某一過程或者某一種生產(chǎn)技術(shù)， 涉及到多種不同的AM 工藝， 考慮到整個產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)需求才能夠成功達到設(shè)計目標。 而且在此過程中，各個階段生產(chǎn)技術(shù)相互間會帶來十分龐大的數(shù)據(jù)量，實際應(yīng)用起來具有一定的挑戰(zhàn)性。

因此，構(gòu)建面向AM 的全生命周期綠色設(shè)計平臺，是開發(fā)一個復(fù)雜的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)， 是將設(shè)計和制造領(lǐng)域同步起來的工程，創(chuàng)建出能夠交換設(shè)計信息的平臺，為用戶展示出產(chǎn)品的建模、仿真、設(shè)計制造之間的交互關(guān)系，能夠通過綠色設(shè)計、優(yōu)化、評估來量化描述每個階段中每個因素對產(chǎn)品設(shè)計和制造技術(shù)的適宜情況， 通過制定AM相關(guān)標準使得設(shè)計任務(wù)、 用戶需求和AM 能力三者間達到最佳匹配的效果，最終在平臺內(nèi)實現(xiàn)更具數(shù)字化、標準化、便捷化、透明化的產(chǎn)品設(shè)計制造。