狄 飛， 李晶瑩， 吳進軍,， 王 營

（1.機械科學研究總院， 北京 100044； 2.中機生產力促進中心， 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)制造模式下產品設計制造的局面，是一種從無到有的有規(guī)律累加材料的制造技術。經過30 多年的發(fā)展，AM 技術的發(fā)展趨勢已經逐步從零件三維數(shù)據(jù)驅動制造轉變?yōu)楦叨藬?shù)字化制造， 成為先進制造業(yè)中具有發(fā)展前景的制造技術之一[1]，根據(jù)相關數(shù)據(jù)分析預計到2030 年全球金屬增材制造收入將突破300 億美元。 在制造內容方面上，由于AM 技術的逐步成熟，使其制造產品不斷邁向高端機電產品、復雜結構產品、金屬多材料復合產品等更高一級臺階。 在制造創(chuàng)新上，AM 技術從設計到制造已經顯現(xiàn)出獨特的潛在節(jié)能優(yōu)勢。 為逐步實現(xiàn)AM 產品復雜化、制造環(huán)境多樣化、制造精度更高、材料優(yōu)化使用、完整化結構制造等追求目標，在工業(yè)應用方面及增材制造可持續(xù)性設計生產管理方面具有一定的挑戰(zhàn)， 在快速發(fā)展技術的同時也亟需構建增材制造協(xié)同設計平臺來實現(xiàn)低成本、節(jié)能、高效的生產模式。

本文提出的增材制造綠色設計平臺是在整個AM 全生命周期內構建， 開展綠色設計平臺建設方案和應用評估的研究， 并體現(xiàn)AM 產品綠色設計在全生命周期內產品設計、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 建設內容

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

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

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

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

2 建設方案

2.1 建設流程

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

圖2 AM 產品的綠色設計工作流程

第一階段的產品設計包括設計參數(shù)、 前期的產品建模工作以及有限元分析任務。在產品設計方面，不僅包括對產品結構的拓撲優(yōu)化和輕量化設計等方面的規(guī)則約束，還有產品三維模型的構建，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T、結構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分別賦予綜合權重W={wm，ws，we，wt，wsS，wc}（0≤w≤1），使得多目標優(yōu)化問題轉化為單目標函數(shù)尋求最優(yōu)解， 合理的選擇技術與材料直接影響到后續(xù)的產品綠色評估。

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 打印產品常用仿真軟件統(tǒng)計。優(yōu)化規(guī)劃階段是指AM 從設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計迭代來驗證設計方案的可行性，形成具有適當?shù)淖詤?shù)設計能力。 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 材料調用、AM 過程模擬等所需要的集成計算機輔助工具， 對設計過程參數(shù)及數(shù)據(jù)交換十分有利。因此，設計過程中的優(yōu)化規(guī)劃就是為了解釋設計結果的合理性。

表1 AM 產品常用仿真軟件統(tǒng)計

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

因此， 綠色設計平臺與一般AM 設計平臺的主要區(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)來衡量綠色設計的情況。 具體評估參數(shù)可分為AM 技術、產品設計、AM 設備、產品性能分析、結構優(yōu)化、產品材料及可靠性等7 個方面。先對目標產品進行相關參數(shù)的評估， 再將綠色設計優(yōu)化前后的產品與目標產品進行可視化比較， 最后利用評估結果量化得出綠色設計優(yōu)化率η。

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

圖3 AM 產品綠色設計分析示例

2.2 綠色設計信息數(shù)據(jù)庫

在AM 產品設計制造過程中會產生大量的異構數(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 產品全生命周期的綠色設計數(shù)據(jù)庫見圖4。

圖4 AM 產品綠色設計信息數(shù)據(jù)庫

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

2.3 綠色設計平臺構建

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

圖5 基于AM 產品的全生命周期綠色設計平臺框架

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

技術層不止含有AM 技術存在， 還包括制造過程中所需的各項技術，有數(shù)據(jù)整合技術、云服務技術、信息安全保障技術以及結構優(yōu)化技術等， 是將設計資源進行虛擬化處理，提供具有信息安全保障的技術環(huán)境。

工具層更多體現(xiàn)的是一種綠色設計能力， 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)挖掘獲取有用的設計參數(shù)和優(yōu)化信息， 將設計和制造技術通過參數(shù)數(shù)據(jù)的形式體現(xiàn)出來。

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

應用層即為綠色設計平臺的外殼， 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)同設計與制造全部情況，同時也能夠通過界面獲取任務分配和進展情況， 便于協(xié)同設計完成任務需求。

2.4 AM 產品綠色設計標準的制定

國內目前對3D 打印行業(yè)十分重視，技術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 技術發(fā)展達到標準化的必然需求， 而國際AM 相關組織機構制定了AM 標準實現(xiàn)的架構與路線圖，并詳細說明了標準分類內容，有助于完善AM 標準體系。 文獻[11]對國際上SAE、ASTM、ISO 等組織機構制定的AM 標準發(fā)布情況及內容進行了詳細的匯總，為國內AM 研發(fā)人員、建立AM 綠色設計平臺及標準提供參考。

對于AM 相關標準的制定情況，截止至2021 年8 月國內外發(fā)布的AM 類現(xiàn)行標準數(shù)量與內容統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2 所示。 根據(jù)相關統(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 基本術語、關鍵技術、應用方法等方面進行了規(guī)范表述。 在國內，雖然AM 技術得到了快速發(fā)展，但是在標準相關基礎科學等領域發(fā)布上還需要繼續(xù)填補空缺。 圖6 為AM 綠色設計標準的制定技術路線。

圖6 面向AM 產品的綠色設計標準制定技術路線

表2 國內外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 結束語

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

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