面向增材制造的零件結構及工藝設計

王 玉，李帥帥，于 穎

（1.同濟大學中德工程學院，上海201804；2.同濟大學機械與能源工程學院，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不同，增材制造（additive manufacturing，AM）是通過材料層層堆積的方式完成零件“自下而上”、“從無到有”的制造過程，是一種更符合自然生長規律的制造方法。AM將復雜的三維問題簡化為易于處理的二維問題，從而可以制造出高度復雜的零件，其中零件的復雜性主要體現在四個方面［1］：零件形狀復雜性，AM可以制造任意復雜形狀、內部復雜流道以及復雜內部結構零件，且制造成本與零件復雜程度無關；零件材料復雜性，AM可以實現同一零件不同部位的不同材料制造，理論上可以對組成零件的點單元材料屬性進行設計；零件層次復雜性，AM零件的幾何結構和材料同時生成，結構上可以實現宏觀、介觀及微觀多個尺度制造，可以通過控制零件結構改善零件性能；零件功能復雜性，AM可以實現多個功能零部件的一體化制造，可以進行多個功能零部件的整合以減少產品的零部件數量。AM相比傳統制造方法所具有的微觀材料、介觀結構與宏觀幾何零件一體化制造的特點，為實現多層次結構、多種材料、多功能零部件的快速制造提供了可能。

AM帶來的不僅僅是制造技術的革命，更重要的是零件設計方法的革命。AM技術優勢極大地拓展了傳統的產品設計空間，提高了產品的“設計自由度”，使得零件設計不再局限于面向制造、面向裝配等基于減材制造的傳統設計方法，可以真正進行面向產品功能或性能需求的設計［2］。然而，目前面向AM的零件設計方法落后于AM技術的發展，在一定程度上限制了設計人員的AM設計思維。AM作為將“減法”變為“加法”的制造“游戲改變者”，應該建立與其匹配的“游戲規則”，以充分挖掘和發揮AM所具有的潛力和優勢。因此，需要研究面向增材制造的設計（design for additive manufacturing，DFAM），充分利用AM設計“自由度”使AM由原來的僅制造“產品原型（Product Prototype）”向制造“最終產品（End-use Product）”轉變。DFAM不是對傳統設計方法的改進，而應該是一種充分考慮AM技術優勢（復雜性制造）、技術缺點（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、成本需求中的一個或多個為目標導向的全新設計方法。目前有關DFAM研究內容可概括設計準則、材料設計、結構設計以及工藝設計四個方面。本文從結構設計中的拓撲優化設計、介觀結構設計、零件整合設計、流體管道及熱交換器設計方面和工藝設計中的層內軌跡規劃、建造方向選擇、多個方向建造及曲面分層設計方面的研究概況進行論述，并在此基礎上對DFAM領域的發展趨勢進行探討。

1 面向增材制造的零件結構設計

滿足零件功能需求的前提下設計輕量化、整體化、低成本的高性能結構是零件設計的中心任務。由自然法則進化的生物結構如蜂窩、竹子、骨骼等被認為是自然界優質結構的典型代表［3］，但傳統制造方法很難完成在幾何和尺度上如此復雜結構的制造。一些傳統制造技術難以制造的輕量化結構、整體化結構及內部復雜流道等對于AM無論從其可制造性和制造成本而言已經不是問題。新的設計空間呼喚新的設計理論與方法，本節從拓撲優化設計、介觀結構設計、零件整合設計、流體管道設計及熱交換器設計等方面研究進展進行評述。

1.1 拓撲優化設計

拓撲優化（topology optimization，TO）與AM的完美結合，可以在零件材料的設計空間中找到最佳材料分布方案，從而提高材料利用率達到減輕重量的目的［4］。相對其他結構優化而言，拓撲優化結構優化層次最高，設計變量最多，設計自由度最大。拓撲優化分為連續體拓撲優化和離散體拓撲優化。離散結構拓撲優化主要有基結構法，該方法是根據桿件的應力大小來確定桿件的去留，留下的桿件構成最終的優化結果。目前連續體拓撲優化方法主要有均勻化方法、變密度法、漸進結構優化法以及水平集方法等［5］。

拓撲優化使能的輕量化設計在航空、航天和汽車工業中的應用尤其重要［6］。減重可以在產品的使用中節省大量能源，如飛機每減重1Kg，每年可節省3000美元的燃料費用［7］。航天應用方面，瑞士航天公司RUAG Space制造了一個衛星天線支架，與原來的支架相比，重量從1.626Kg降低到0.936Kg，同時可以改變天線支架的固有頻率［8］（圖1a所示）。SpaceIL公司設計了一種應用于登月飛船的發動機支架［9］（圖1b所示）。航空方面，EADS創新中心對空客A320機艙鉸鏈支架進行了拓撲優化，優化后零件保持了原先零件的剛度和螺栓載荷，減小了最大應力，提升了強度，質量減少了64%［10］。波音公司將拓撲優化和AM進行結合，制造出了具有明顯減重和較好性能的飛機零部件，旨在實現航空工業領域產品減重和降低成本等目標［11］（圖1c所示）?？湛虯PWorks公司對摩托車的車架進行拓撲優化設計，制造了一種拓撲結構車身的輕型摩托車［12］（圖1d所示）。此外，拓撲優化也被用于生物醫用植入體［13］、鑄造工藝［14］等，以及在多物理場耦合下的應用［15］。結構拓撲優化通常用來獲取零件的初始形狀，且優化結果不具有唯一性，對優化結果的解釋以及重構問題有待深入研究。

圖1 拓撲優化的應用案例Fig.1 Application cases of topology optimization

1.2 介觀結構設計

介觀結構是指由特征尺寸在0.1-10mm之間的單元胞按特定方式排列組成的結構，不僅具有高的強度質量比或剛度質量比，同時還具有能量吸收、散熱、隔音等性能［16］，以介觀結構替代實體結構是實現零件輕量化設計的一種新途徑。MIT研究的超輕架構材料可承受其自身重量至少16萬倍的載荷［17］，表明在材料與幾何結構趨于模糊的介觀層面蘊藏著AM使能的巨大輕量化潛能。

胞狀結構根據其單元胞的排布形式可分為均勻同構、均勻異構、非均勻同構以及非均勻異構四種，每一種結構的特性取決于結構中單元胞的拓撲、幾何、方位、尺寸等設計變量，通過控制這些變量使得胞狀結構在空間滿足零件局部或整體的剛度或強度等性能要求。目前大多數研究主要集中在呈周期性排列的前三種胞狀結構，如應用均質化理論進行均勻同構胞狀結構分析與設計，基于梯度功能結構設計非均勻同構胞狀結構等，但設計中通常只關注單元胞諸多設計變量的一個或兩個，不能進行全變量設計優化。對于特定零件來說，其承受的載荷往往并不是均勻的分布在其內部，因此均勻分布的同構格狀結構并不科學。對于非均勻異構這種大自然廣泛存在的自適應胞狀結構由于其幾何高度復雜性目前的研究還很不充分，缺乏系統的設計理論和方法。Chu等［18］在胞狀結構設計方面提出了一種面向AM的“工藝-結構-性能”一體化計算機輔助設計方法，以多孔材料的設計和制造為例驗證了該方法的有效性，并開發了相應工具用于介觀蜂窩結構的定制化設計。Chen［19］提出了基于三維紋理映射的自適應胞狀結構設計方法，根據有限元分析結果定義翹曲函數進行空間映射使網格方位與最大主應力方向一致，該方法雖然可以進行載荷自適應設計，但難以處理結構的多變量設計優化問題。

由于胞狀結構尤其是非均勻異構胞狀結構的高度復雜性，只能用AM方法來制造，因此設計的胞狀結構必須能夠制造，否則就會成為空中樓閣。在研究胞狀結構機械性能的同時，需對其可制造性進行深入研究，如單元胞的類型、尺寸、方位和相對密度（體積分數）等對可制造性的影響，努力使胞狀結構的設計能夠自支撐或免支撐以提高其制造的效率與質量。同時，由于AM逐層材料累積的特點導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、建造方位等設計約束。如何構建設計理論與方法，將AM特性和可制造性約束耦合進胞狀結構的設計優化具有一定挑戰性。

用介觀格狀結構（lattice structure，LS）代替零件實體結構在輕量化的同時還可以改善其相關性能，在航空、航天、國防等對重量敏感的領域具有非常重要的意義。例如，將介觀格狀結構應用于微型飛行器機身的設計實現減重33%，極大提高了飛行器續航能力［20］；將介觀格狀結構應用于填充無人機機翼的設計，其最大曲面弦高差改善78%［21］。將介觀格狀結構作為夾層的填充結構制造諧振器［22］（圖2a所示），這種高強度和輕質量的結構除了可以用于航天器吸收振動，還可以應用于螺旋槳、渦輪轉子等關鍵的部位［23］。介觀結構能夠最大程度上滿足仿生設計的需求，由Betatype與倫敦帝國理工學院合作設計的仿自然骨骼的非均勻異構格狀結構（圖2b所示）［24］。Altair公司結合拓撲優化與胞狀結構設計，以最大化減少支架重量為目標，用鈦材料制造出具有復雜晶格結構的制造的仿“蜘蛛”支架（圖2c所示）［25］。生物醫學工程中的植入骨或組織的設計與制造［26］。此外，介觀結構還被用于制備一些超性能材料，如波音公司和HRL實驗室創造了一種被授予世界最輕金屬的微納結構（圖2d所示），比聚苯乙烯泡沫塑料輕100倍［27］）。為了最大程度上實現結構輕量化，可以通過優化格狀結構中桿件的方向和直徑來適應工況載荷下零件應力分布，文獻［28］研究對比了三種不同布置桿件的結構性能，結果表明與力流協調的直桿只受拉壓，具有更好的剛度和強度，但是研究沒有考慮節點處的連接方式以及應力集中問題。

圖2 介觀結構設計的應用案例Fig.2 Application cases of mesoscopic structure

1.3 零件整合設計

AM技術可以實現復雜部件的一體化制造，這為零部件設計帶來了優化的空間，設計人員可以嘗試將原本通過多個組件裝配的復雜部件，進行一體化整合設計。與傳統的制造與裝配設計方法相比，AM使能的零件整合為實現零件數量的減少和裝配的簡便性提供了一種更為有效的方法［29］。零件整合設計不僅實現了零件的整體化結構，還能夠避免原始多個零件組合時存在的連接結構（法蘭、焊縫等），也可以幫助設計者突破束縛實現功能最優化設計，使得零部件最終達到功能集成、數量減少、重量減輕、性能優化的目標［30］。

在航空制造領域，一體化結構在帶來零件數量減少、零件減重的優勢的同時，為飛機零部件的性能提升開辟了新的空間。飛機零部件的一體化整合設計需要以AM技術為主導的主動設計思維方式，即在設計之初，以考慮零部件的功能性為主，而不用花費精力去考慮結構裝配的問題，跳出原有的設計思維，會帶來完全不同的創新零部件。零件整合設計的經典案例是GE公司制造的集成復雜的幾何外形和內部復雜腔體的燃油噴嘴，使原本20個組件整合設計成一個零件（圖3a所示），同時使得重量減少了25%，耐用性提高了5倍［31］。

AM相對于傳統采用的焊接方式制造管道具有明顯優勢，不僅可以克服傳統管道的可制造性設計限制，而且還可以改善壁厚不均勻，尖角等問題，在管道類的零部件整合應用廣泛。如飛機上的一個導管整合設計，將原來由16個部件組成的飛機導管（圖3b所示）整合成一個零件［32］。通氣管道的整合設計，使得零件從13個變為1個，縮短了零件生產周期，大大降低了零件成本［33］。重新設計的飛機主起落架拖桿收放機構液壓檢測設備（圖3c所示），部件減少了多部件組件的60%的重量和53%的高度，同時提高性能和減少了泄漏［34］。此外，基于AM的零件整合設計也在其他領域得以應用，如優化設計了拖拉機控制艙套管（6個零件整合成1個）［35］，和機器人觸手（9個零件整合成1個）［36］。

圖3 零件整合設計的應用案例Fig.3 Application cases of parts integration

1.4 流體管道設計

AM工藝技術優勢可以制造具有復雜的內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用。使用傳統的加工方法制造液壓閥，除了加工工序復雜、成本高之外，鉆孔會產生管道內無法去除的毛刺，流體在高壓下流經孔道交匯區域時會造成能量損失，導致流體效率低下等一系列問題。而基于AM設計制造的液壓閥不僅可以大大減少材料成本，更重要的是，AM設計提供了巨大的管路設計自由度，可以消除管道死角或尖銳的角落，減少管路堵塞風險，改善傳統制造的液壓塊內部存在的泄漏、效率損失等問題。Aidro hydraulics公司采用3D打印制造出了液壓閥（圖4a所示），對液壓閥塊的內部管道進行設計優化，整個閥塊的體積更小，潛在的液體泄漏問題也得以避免，并且將鋒利的角換成圓形彎曲的設計從而減少湍流現象［37］。

圖4 流體管道設計的應用案例Fig.4 Application cases of fluid pipeline design

傳統方式制造的冷卻水道只能是直線，且必須繞過零部件的最外層，以避免對模具型腔產生干擾，這就導致了冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問題，因此，經常會在冷卻過程的一開始就導致零部件上出現明顯的溫度變化［38］。AM技術使得隨形冷卻模具的設計和制造擺脫了傳統制造中交叉鉆孔的限制，使得內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冷卻要求進行不同的冷卻回路設計，從而以一致的速度進行散熱，以促進散熱的均勻性［39］（圖4b所示）。此外，AM使能的流道設計還應用于工業機器人上的集成風管的改造［36］、在聲學阻尼裝置的復雜內部通路設計［40］以及優化眼外科器械的流道設計［41］中的應用。

1.5 熱交換器設計

AM對產品的重塑，不僅包括外觀，更重要的是對性能的提升。AM工藝可以制造具有薄壁、復雜曲面特征的零部件，這種技術特點應用在熱交換器的制造具有明顯優勢。傳統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，而且一個復雜的熱交換器是由許多小而復雜的部件組成的釬焊組件，使用傳統的方法制造成本很高，同時在制造過程中有可能帶來制造缺陷。傳統制造技術在制造緊湊而復雜的熱交換器產品方面的能力十分有限，而AM技術為熱交換器產品重塑帶來了新的可能性。

熱交換器的發展趨向于緊湊、輕便和高效，以適應航空、航天、芯片制造領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，空調散熱器，電子冷卻，和發動機機油冷卻器，每個熱交換器的設計、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等制造了一種飛機機油冷卻器，空氣側壓降是傳統基準冷卻器的兩倍，冷卻效率由10%提高到了14%［43］。Garde利用AM技術所提供的設計自由度，制造出一種復雜內部特征的小直徑異型管式油冷卻器［44］。荷蘭電動摩托車開發商Twente與K3D公司合作，為賽車行業開發了超級摩托車的電動馬達冷卻外殼（圖5a所示），將薄殼體與其內部冷卻通道整合集成，不僅提供了優越的冷卻性能，而且質量大大減輕［45］。HIETA公司自2011年起，致力于采用AM方法開發復雜、輕型結構的金屬零件熱管理，其中最為典型的是設計了一種集成的歧管的環形換熱器（圖5b所示）［46］。馬里蘭大學利用AM的設計自由度，制造了

圖5 熱交換器設計的應用案例Fig.5 Application cases of heat exchanger design

一種無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行傳熱和空氣側壓降，與之前設計相比，設備重量減少了20%，效率提高了20%［47］。不來梅大學受自然界葉子形狀啟發，基于AM制造出一種新型熱交換器（圖5d所示），該冷卻系統將電腦中央處理器產生的熱量轉換成電能，為冷卻風扇提供動力［48］。

2 面向增材制造的零件工藝設計

AM工藝過程可看作材料按照“點→線→面→體”在三維空間的生長，材料的堆積生長過程對最終的機械性能有重要影響。傳統3軸AM系統只有一個建造方向，材料建造方向一旦確定，零件的制造過程就變為一系列2.5維平面層的線性疊加，導致了AM零件的各向異性，使零件的機械性能下降，這種現象在擠出式增材制造（Extrusion-based Additive Manufacturing，EAM）中尤為顯著［49］。而事實上，各向異性并不是導致零件機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度與零件的各向異性應力不一致。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題的關鍵。受自然界“應力與生長關系”（如骨骼密度與應力密切相關、樹木的應力生長）的啟發，如果AM工藝也能夠按照零件所承受的載荷進行規劃，使材料的分布和走向能夠最大程度上與零件的應力大小和方向相一致，那么在提高零件機械性能的同時，也減少了材料的冗余從而達到“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力方向組裝生成性能遠優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。零件層理（層的形態）與紋理（層內軌跡）的組合反映了零件材料的內部結構，可看作是對其所承受載荷的一種智能響應，這樣即使相同幾何零件的工況不同，其工藝設計也應不同，宏觀上表現出的機械性能也就不同。MAEAM激發了三維空間內零件材料生長的靈活性與可控性，提供了使材料生長更為仿生、更加符合零件應力特征新的可能性。本節以EAM工藝為研究對象，從層內軌跡規劃、建造方向選擇、分區域多方向建造以及曲面分層設計四個方面的研究進展進行探討。

2.1 層內軌跡規劃

零件層內各向異性體現在絲材之間熔接線處的受力薄弱環節，層內軌跡的位置與走向直接影響零件的機械性能，不同的軌跡樣式帶來不同的性能表現。傳統的軌跡生成主要基于零件的幾何信息，大多采用均勻同構樣式，并未考慮零件實際工況下的載荷信息。Gardan等［51］以標準拉伸件為對象，比較根據應力場設計的軌跡與傳統填充方式的軌跡所制造樣件的機械性能，發現沿應力方向設計所表現出來的力學性能優于其它傳統樣式，其拉伸強度最大可提高45%左右。Stauben等［52］提出零件內部填充樣式應該是其應力分析結果的函數，軌跡不應是同構的標準樣式而應是基于應力場設計的異構模式。Wang等［53］提出了一種力流引導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械性能。此外，與試圖通過特殊的工藝設計減小各向異性（認為各向異性是缺點）的做法不同，事實上利用各向異性在工程界（如復合材料、ABS中添加碳纖維）和自然界（貝殼表面的增強纖維、竹材的疏密梯狀纖維）普遍存在［54］。通過在層內鋪設連續纖維（如碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維等）的方式，賦予了復合材料高模量、高強度、高韌性等優異的機械性能，對提升零件整體或局部機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，機械性能會下降80%［56］。Kam等［57］探討了應力線在AM中的應用，研究了沿應力線進行熔融沉積制造（FDM）以克服AM各向異性，并應用KUKA六軸機器人進行了實例驗證。

2.2 建造方向選擇

建造方向影響零件的機械性能，同時也關系到零件的支撐結構、表面粗糙度以及建造效率等?，F有研究表明，EAM零件的強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節表現出較差抗拉性能以及抗剪切性能，根據零件的受力情況優化建造方向，如使建造方向與拉應力正交等可以提升零件的機械性能。Klahn等［59］據此對卡扣類零件在其特定受力情況下的建造方向進行優化以提高其機械性能。Hambali［60］研究了基于啟發式規則來選擇建造方向，例如零件包含大的平面特征，則建造方向應該垂直于該平面；而如果零件存在孔這樣的特征，則建造方向應該平行于孔的軸線等準則（如同傳統減材制造中“制造特征”對于工藝規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EAM工藝規劃有影響的幾何實體，對工藝規劃如選擇建造方向的影響同樣需要深入研究）。對于復雜幾何形狀的零件，考慮其應用時應力狀態以及其它因素，所得到的所謂最優方向往往是某種折中或妥協的結果，意味著所謂的最優可能是局部最優，而非全局最優解。

2.3 多個方向建造

為克服傳統3軸EAM只能沿固定的一個方向打印的缺陷，近年來機器人使能的零件分區域、多方向建造逐漸成為研究熱點。Yerazunis等［61］基于3軸的機械臂和2自由度傾斜平臺，打印出了沿應力載荷的半球形壓力帽，通過與傳統打印件比較，強度提高了4.5倍。Tam和Mueller［62］使用6軸機械臂多方向打印出了拓撲優化結構的零件，該零件不僅保證了打印路徑與主應力線對齊，且具有較好的表面質量。Wu等［63］以免支撐優化建造順序為目標開發了以打印過程擠出頭固定，機器人工作平臺相對運動的多方向建造EAM系統。Ishak等應用機械臂實現了多方向、免支撐三維建造［64］。由于分區域、多向建造限于擠出頭的可達性不可避免地會出現干涉問題，對此Wu［63］提出一種平面小角度擾動以避免干涉的方法，但此方法也具有一定的局限性，不能解決所有的干涉問題。針對大尺寸零件打印，Song等［65］基于零部件的可裝配性、效率、穩定性等方面，對零件的切割劃分提出了相關的算法，具有較高的普適性。但所提出的區域劃分方法都是以考慮幾何外形為基礎，并未考慮到零件的應力狀態。Tang等［66］提出了考慮幾何特征同時避開應力集中區域的劃分方法雖然考慮了應力問題，但并未對劃分區域內的應力分布對建造方向的影響給予重視?？傮w上，有關多方向建造的研究目前主要集中在減少支撐、改善表面質量及提升建造效率等方面。

2.4 曲面分層設計

零件曲面分層制造是近年來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量的EAM新策略。一方面對于EAM零件具有小尺寸且關鍵的表面特征的情況，采用傳統平面層的自適應切片產生的階梯效應會降低零件的表面質量，而且必須使用大量的薄片來保存表面的關鍵特征，而曲面分層較少的薄片就可以精準的保證表面特征且表面質量明顯優于僅具有平面層的零件。另一方面，對于像拉伸試樣載荷簡單的零件來說可以通過規劃零件建造方向，使打印路徑沿應力軌跡線，但實際工況下零件受力較為復雜，很難通過改變建造方向來避免載荷穿越打印路徑或層間。為了適應這些更復雜的載荷條件，沉積層的形態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彎曲強度的影響，并與傳統的平面分層方法進行了比較，得出曲面層具有較好的抗彎強度。Khurana等［68］研究了曲面層形狀的變化對零件彎曲強度的影響，進行彎曲試驗表明含有曲面層的零件具有卓越的結構性能。采用曲面層或曲面與平面結合的零件分層能夠一定程度上提升零件的機械性能和零件表面質量。關于曲面層切片算法方面的研究，Llewellyn等［69］提出了一種自動生成曲面層的方法，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合，將混合切片法成功地應用于三個試驗實例，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，而結合零件應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 發展趨勢

在總結分析DFAM的結構設計和工藝設計研究進展的基礎上，對未來研究發展趨勢進行探討。

（1）AM零件一體化設計

AM零件設計與制造一體化。AM技術相比傳統制造技術在復雜零件制造上具有巨大優勢，然而現有AM零件設計中大部分沒有充分考慮AM制造技術特性及工藝約束，導致零件的設計與制造不兼容，設計解不等于制造解。因此，AM設計與制造應充分融合，在零件設計時就充分考慮AM的制造技術特性，以充分發揮其優勢提高零件性能。同時，充分考慮AM的特性和約束，實現從AM零件設計與制造的割裂分離到設計與制造的深度融合一體化設計。

AM零件結構和材料一體化。得益于AM工藝特性和制造的多尺度特性，AM零件材料與結構的邊界趨于模糊，零件制造過程中材料和結構同時生成，即宏觀上的零件結構由材料構成，介觀和微觀下的材料包含胞狀或格狀等結構，這是AM零件的顯著特征。因此，如何進行AM零件結構和材料多尺度協同優化將是一個重要研究課題。

（2）多尺度下異構胞狀結構設計

目前胞狀結構的研究大部分集中在均勻周期性胞狀結構的設計，以均勻、同構的胞狀結構替代實體結構雖然可以減輕零件重量，但由于此類結構與零件的應力場并不協調，所以并不是最優質的輕量化結構。此外，結構設計中往往只關注于單元胞諸如拓撲、幾何、方位、尺寸等設計變量的一個或兩個上，沒有進行全變量、全自由度的優化設計，未能綜合考慮設計變量對結構最終性能的影響。

因此，通過設計單元胞屬性（拓撲、幾何、方位、尺寸等）與載荷（大小、方向、性質）的自適應映射，實現從均勻同構胞狀結構到與載荷協調的非均勻異構胞狀結構設計的轉變，進一步提高結構效率，實現零件超輕量化設計。策略上可采用“分而治之”的思想，將高度復雜的多尺度下設計優化問題分解為宏觀層面上的拓撲優化、介觀層面的胞狀結構優化以及單元胞層面上的支桿尺寸優化等多層級優化問題。這種逐級優化過程類似于機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”，技術路線如圖6所示?？傮w思路將零件實際工況下的應力作為激勵信號，通過不斷調節控制變量以達到預期結構設計目標。

（3）面向零件性能的AM工藝設計

目前關乎零件性能的工藝設計并沒有引起太多關注，傳統AM工藝設計目標是材料以最高效的方式填充整個設計空間，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際工況下所需性能相協調填充設計空間。由于影響AM零件性能的根本原因是工藝過程帶來的零件的性能各向異性與零件實際工況下性能需求不匹配。因此，如何通過工藝設計引導和控制各向異性實現“幾何”和“性能”的雙控是提升零件性能的關鍵。

以面向零件機械性能的AM工藝設計為例，藝設計總體目標是將工藝過程中“線→面”、“面→體”、“體→零件”的三個階段與零件的應力信息保持最大程度上響應。因此，可根據零件應力信息生成主應力軌跡線，進而設計AM過程中材料在零件內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雜結構是對其所承受應力自下而上多層級智能響應的結果。進一步，通過探索基于零件應力來進行工藝設計，可建立零件“工藝-結構-性能”（Processmeso Structure-Property，PSP）關系模型，從而提高零件的機械性能和結構效能，實現AM零件從“幾何”到“性能”的智能化定制，技術路線如圖7所示。此外，PSP內在映射機理還可以拓展到面向除應力場外的其它物理場，如面向溫度場、電場、磁場或多物理場耦合時，如何基于性能調控實現AM零件材料排布的工藝設計。

圖6 多尺度下異構胞狀結構設計技術路線Fig.6 Research outline of multi-scale heterogeneous cellular design

圖7 面向零件性能的AM工藝設計技術路線Fig.7 Research outline of Performance-oriented process planning

（4）連續碳纖維增強復合材料工藝設計

與傳統的復合材料制備技術（如壓熱罐成型技術、傳遞塑模成型技術及纏繞成型技術等）相比，基于EAM的連續纖維增強復合材料工藝的主要優勢在于成本低、周期短，能實現復合材料復雜結構零件的快速制造。以連續纖維增強熱塑性聚合物高性能復合材料零件制造為目標，采用連續纖維和熱塑性聚合物為原料，利用復合浸漬-熔融沉積的EAM工藝實現零件復合材料和復雜結構的一體化成形的AM技術。實現具有擠出材料的高度靈活性（擠出純聚合物或纖維增強復合材料）和可控性（可選擇性定向增強，各向異性可控）的連續纖維的布置。此外，由于碳纖維具有較好的導電性能，而熱塑性基體材料具有良好的電絕緣性能，因為可以通過合理排布碳纖維在零件內部的走向，設計具有良好電磁屏蔽功能的復合材料零部件，對于航空航天關鍵零部件的制造具有重要意義。

4 結論

AM帶來的不僅僅是制造技術的革命，更重要的是零件設計方法的革命，設計者只有打破傳統的設計思維，才能最大限度地挖掘和發揮AM技術潛力和優勢。從結構設計和工藝設計兩個方面較為系統地論述了面向AM的零件設計，在此基礎上提出了自適應異構胞狀結構設計和基于主應力軌跡線的工藝設計兩個未來發展趨勢。一方面結構設計研究將完善DFAM介觀尺度設計理論與方法，實現零件宏觀、介觀及微納觀多個尺度的協同優化設計。另一方面工藝設計研究旨在構建可設計、可控制各向異性的完整工藝設計鏈條，實現與零件載荷相適應的材料結構化性能定制，為提高零件機械性能提供新的理論與方法支持。