面向3D打印的設計制造一體化探索

牛 飛，楊東生，許俊偉，姚重陽，徐志良

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

3D打印(又稱增材制造，Additive Manufacturing，AM)是近年來新開發并逐漸成熟起來的一種先進制造工藝，它完全基于三維數字化模型文件，把粉末狀或者絲狀的金屬、非金屬等可打印材料，通過逐層累積的方式來實現產品制造。隨著高性能增材制造裝備和專用材料制備技術的不斷突破，增材制造憑借無?；⒍讨芷诩敖鼉舫尚偷娘@著優勢，已經成為提高復雜結構設計和制造能力的一項關鍵技術[1]。目前，增材制造技術已應用于多個航天型號，已成為航天結構輕量化、一體化和功能化創新設計的關鍵技術。然而，由于設計、工藝及檢驗等關鍵環節的相互脫節，設計工藝性不足、制造缺陷頻發、質量一致性差、檢驗判據不合理等問題制約著增材制造產品向著更高質量和性能發展。

本文緊密圍繞航天飛行器未來發展需求，以3D打印產品研發為研究對象，對實現設計制造一體化的技術路線和關鍵技術進行分析。將結構多學科優化、工藝成型過程仿真、無損檢測及逆向重構技術等先進手段融入設計制造流程，把設計、仿真和制造有機統一起來，把工藝設計納入結構設計流程，利用統一數據模型實現結構性能仿真和成型工藝仿真，通過仿真驅動設計來提高產品質量、降低制造成本。本文研究成果可應用于航天領域增材制造產品研發，對傳統設計制造模式向智能制造轉型具有積極探索意義。

1 相關研究

1.1 面向增材制造的設計

近年來，國內外一些學者提出了面向增材制造的設計(Design for Additive Manufacturing，DFAM)概念[2]。主要表現在兩個方面，一是在傳統優化設計模型的基礎上考慮增材制造工藝約束，以得到適合增材制造的設計；二是以增材制造的工藝能力拓展優化設計空間，得到具有更豐富層次和更優異性能的創新結構。Kumke等[3]對傳統設計理念和實現方法進行優化，把用戶體驗和設計新穎性引入設計目標，為設計工程師提供具體的指導；Ponche等[4]提出一種從功能規范到工藝路線的零件設計方法，從設計結構初期就結合增材技術的優勢；李滌塵等[5]結合增材制造的成型過程特點，整體研究了微觀結構和宏觀結構的制造方法，提出一種宏微觀結構整體設計的一體化設計思路；劉書田等[6]提出一種結構拓撲優化設計與增材制造工藝相結合的設計制造一體化策略，從自支撐結構、打印工藝約束、制造缺陷等多個方面對設計進行探討。全棟梁等[7]提出了考慮工程經驗的結構優化設計理念，將二者有機結合以最大限度發揮結構優化設計的作用，實現真正的面向性能的正向設計。

1.2 設計制造一體化技術

設計制造一體化的實現要有軟件平臺和相關流程規范的保證。冷峻[8]通過對航空產品設計制造一體化技術途徑的關鍵要素進行分析，認識到通過單一數據源、管控研制過程、改進業務流程等技術手段，可提高航空產品的研制質量和效率；黨衛兵等[9]分析了某航天產品設計與制造協同的業務現狀，提出了基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的航天產品設計制造一體化解決方案，將三維模型作為制造過程唯一數據源，大幅提高了設計制造協同工作效率。張振偉[10]提出了基于產品數據管理(Product Data Management，PDM)的設計制造一體化技術，將傳統的設計、工藝、制造數據納入PDM統一管理，實現了設計模型、工藝文件、數控程序、裝配仿真文檔的電子化歸檔和管理，規范統一了產品研制過程數據和流程，保證了過程數據的完整性，并提出了一套實用的集成工程應用環境和方法。Chang等[11]將制造工藝性和成本約束納入設計過程，來解決結構形狀優化問題，獲得了較好收益。

2 技術路線及關鍵技術

面向3D打印產品特點，對現有航天結構產品研制流程進行改進，形成圖1所示的設計制造一體化技術路線?；趪a化的產品全生命周期PLM平臺，建立集成產品設計制造過程的數字化建模和管理軟件，實現對設計模型、工藝模型和基于實物數據逆向重構的數字模型的統一管理；構建包含設計、制造、使用、維護等產品全生命周期各階段的統一數據庫，打通制造設備和相關軟件接口，對產品全生命周期不同階段產生的異構、多態、海量數據進行采集和管理。

圖1 技術路線

通過對實物重構數字模型進行虛擬裝配和虛擬試驗驗證，實現增材制造產品的性能預測和質量評價，這就把設計模型、工藝模型與產品質量聯系起來。借助敏感性分析技術對影響產品性能的關鍵設計、制造要素進行辨識，進而建立這些要素與產品性能之間的映射關系；以設計可靠性提升為目標，以產品性能、幾何包絡、質量、接口以及制造缺陷為約束，通過優化迭代實現增材制造產品的優化設計。關鍵技術包括以下3方面。

2.1 面向設計制造一體化的數字化建模與管理平臺

統一數據模型是實現設計制造一體化的源頭和核心。與傳統產品數據模型僅支持對物理產品的設計、工藝等圖紙、模型和文檔的管理不同，面向設計制造一體化的數字化模型需要包含設計、制造、使用、維護等產品全生命周期各階段統一的數據。這就需要軟件工具和平臺提供支持。

如圖2所示，面向增材制造產品的數字化建模與數據管理平臺軟件框架，要在數據層構建產品全生命周期各階段的統一數據庫，打通制造設備和相關軟件接口，采集產品全生命周期不同階段產生的多態、異構和海量數據；以數據支撐模型層的各類模型創建，包括幾何模型、仿真模型、優化模型等；進一步，在運算層通過計算軟硬件資源調度，實現仿真分析優化功能，最終支撐應用層對產品質量進行預測、評價和優化，為航天增材制造產品設計和工藝優化提供軟件平臺保障。

圖2 平臺框架

2.2 基于數字化模型的增材制造產品質量評價技術

制造過程中不可避免地會與理想設計狀態產生差異，或是長寬高等尺寸的伸縮，或是特征表面的起伏不平，又或是表面/內部的各種缺陷，由這類具有“偏差”的零件組裝而成的產品難以達到理想性能要求。對于特定的零件產品，其幾何特征、材料屬性、表面和內部缺陷等都是有差別的。

對現階段基于少量實物數據的質量評價體系進行優化，更多地借助數字化模型來評價產品質量。首先，借助三維掃描、工業CT等無損檢測技術得到包含產品缺陷的點云數據；其次，通過逆向建模得到實物產品的數字化重構模型；然后，將精確反映實物產品特征的數字重構模型代入三維數字化裝配模型和虛擬驗證模型，通過仿真手段對產品逐件進行接口匹配、幾何干涉、強度和剛度性能預測，最終實現增材制造產品的逐件快速化質量評價。

2.3 面向可靠性提升的增材制造產品優化設計技術

在模型空間中對物理實體的可靠性工作狀態開展全要素重建及數字化映射，以產品性能預測的數字重構模型為基礎，依據失效模式分析對產品可靠性進行評估。借助敏感性分析技術對產品可靠性的關鍵影響因素進行辨識(材料性能、幾何特征、制造缺陷等)，進而建立這些要素與產品可靠性之間的映射關系，實現基于數字重構模型的實物產品可靠性評估和優化設計。以最大化產品設計可靠性為目標，以產品性能、質量、接口以及制造缺陷為約束，構建優化列式，提高增材制造產品的可靠性預計。同時，根據優化結果確定產品關鍵驗收指標和偏差范圍。

3 實踐案例

本章以某3D打印點陣夾層弧板產品為例，對設計制造一體化技術探索進行簡要描述。如圖3所示的弧形點陣夾層結構，內部填充體心立方點陣。經前期分析校核，確定點陣及蒙皮幾何參數，得到滿足設計要求的結構CAD模型。

圖3 點陣夾層弧板

在產品制造環節，首先將三維CAD模型數據傳遞至增材制造工藝軟件進行打印支撐設計和切片設計，生成打印路徑軌跡，得到如圖4所示的打印工藝模型。進一步，利用實際的打印厚度、激光功率、掃面速度、掃描間距等工藝數據代入仿真模型，對增材制造過程進行仿真，得到圖5所示的產品變形情況。通過仿真對打印工藝參數進行優化調整，確定最終的上機數據。

圖4 工藝模型

(a)不同時刻的溫度分布

在質量評價環節，對圖6給出的實物產品進行工業CT檢測，利用點云數據對實物產品進行逆向建模，得到能夠反映產品真實的變形翹曲缺陷的數字重構模型。將數字重構模型代入設計模型，對產品幾何尺寸、外形輪廓、接口匹配和幾何干涉進行量化檢查。進一步，通過數字重構模型對有限元仿真模型進行修正，對產品的使用性能進行評價。

(a)實物產品

在可靠性提升環節，首先基于概率模型對點陣夾層弧板進行可靠性建模，通過靈敏度分析，在材料性能(楊氏模量和泊松比)、幾何特征(點陣半徑)和制造變形缺陷中，選取幾何特征，即夾層區域桿件半徑作為可靠性優化設計變量?？紤]外荷載特點，對點陣桿徑進行分區定義，圖7給出了分區定義的優化變量和優化結果，具體數值見表1。5個區域的點陣半徑被重新分配，優化設計的質量略低于初始設計，但設計可靠度由0.999 78提升至0.999 99，提高了21%，達到可靠性提升目標。

表1 優化前后對比

(a)優化變量分區示意

4 結束語

本文將結構多學科優化、工藝成型過程仿真，無損檢測及逆向重構技術等先進手段融入設計制造流程，把設計、仿真和制造有機統一起來，通過仿真驅動設計來提高產品質量、降低制造成本。未來對復雜產品設計和增材制造產品的需求量都將大幅度提升。單件小批量高性能制造的高附加值復雜產品運用設計制造一體化技術，對降低產品制造成本，提高產品質量有著重要的意義。