牛 飛，楊東生，許俊偉，姚重陽，徐志良

(中國運載火箭技術(shù)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(fā)并逐漸成熟起來的一種先進制造工藝，它完全基于三維數(shù)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(xiàn)產(chǎn)品制造。隨著高性能增材制造裝備和專用材料制備技術(shù)的不斷突破，增材制造憑借無?；?、短周期及近凈成型的顯著優(yōu)勢，已經(jīng)成為提高復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造能力的一項關(guān)鍵技術(shù)[1]。目前，增材制造技術(shù)已應(yīng)用于多個航天型號，已成為航天結(jié)構(gòu)輕量化、一體化和功能化創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。然而，由于設(shè)計、工藝及檢驗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的相互脫節(jié)，設(shè)計工藝性不足、制造缺陷頻發(fā)、質(zhì)量一致性差、檢驗判據(jù)不合理等問題制約著增材制造產(chǎn)品向著更高質(zhì)量和性能發(fā)展。

本文緊密圍繞航天飛行器未來發(fā)展需求，以3D打印產(chǎn)品研發(fā)為研究對象，對實現(xiàn)設(shè)計制造一體化的技術(shù)路線和關(guān)鍵技術(shù)進行分析。將結(jié)構(gòu)多學科優(yōu)化、工藝成型過程仿真、無損檢測及逆向重構(gòu)技術(shù)等先進手段融入設(shè)計制造流程，把設(shè)計、仿真和制造有機統(tǒng)一起來，把工藝設(shè)計納入結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，利用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能仿真和成型工藝仿真，通過仿真驅(qū)動設(shè)計來提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本。本文研究成果可應(yīng)用于航天領(lǐng)域增材制造產(chǎn)品研發(fā)，對傳統(tǒng)設(shè)計制造模式向智能制造轉(zhuǎn)型具有積極探索意義。

1 相關(guān)研究

1.1 面向增材制造的設(shè)計

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

1.2 設(shè)計制造一體化技術(shù)

設(shè)計制造一體化的實現(xiàn)要有軟件平臺和相關(guān)流程規(guī)范的保證。冷峻[8]通過對航空產(chǎn)品設(shè)計制造一體化技術(shù)途徑的關(guān)鍵要素進行分析，認識到通過單一數(shù)據(jù)源、管控研制過程、改進業(yè)務(wù)流程等技術(shù)手段，可提高航空產(chǎn)品的研制質(zhì)量和效率；黨衛(wèi)兵等[9]分析了某航天產(chǎn)品設(shè)計與制造協(xié)同的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀，提出了基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的航天產(chǎn)品設(shè)計制造一體化解決方案，將三維模型作為制造過程唯一數(shù)據(jù)源，大幅提高了設(shè)計制造協(xié)同工作效率。張振偉[10]提出了基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)的設(shè)計制造一體化技術(shù)，將傳統(tǒng)的設(shè)計、工藝、制造數(shù)據(jù)納入PDM統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了設(shè)計模型、工藝文件、數(shù)控程序、裝配仿真文檔的電子化歸檔和管理，規(guī)范統(tǒng)一了產(chǎn)品研制過程數(shù)據(jù)和流程，保證了過程數(shù)據(jù)的完整性，并提出了一套實用的集成工程應(yīng)用環(huán)境和方法。Chang等[11]將制造工藝性和成本約束納入設(shè)計過程，來解決結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題，獲得了較好收益。

2 技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)

面向3D打印產(chǎn)品特點，對現(xiàn)有航天結(jié)構(gòu)產(chǎn)品研制流程進行改進，形成圖1所示的設(shè)計制造一體化技術(shù)路線?；趪a(chǎn)化的產(chǎn)品全生命周期PLM平臺，建立集成產(chǎn)品設(shè)計制造過程的數(shù)字化建模和管理軟件，實現(xiàn)對設(shè)計模型、工藝模型和基于實物數(shù)據(jù)逆向重構(gòu)的數(shù)字模型的統(tǒng)一管理；構(gòu)建包含設(shè)計、制造、使用、維護等產(chǎn)品全生命周期各階段的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，打通制造設(shè)備和相關(guān)軟件接口，對產(chǎn)品全生命周期不同階段產(chǎn)生的異構(gòu)、多態(tài)、海量數(shù)據(jù)進行采集和管理。

圖1 技術(shù)路線

通過對實物重構(gòu)數(shù)字模型進行虛擬裝配和虛擬試驗驗證，實現(xiàn)增材制造產(chǎn)品的性能預(yù)測和質(zhì)量評價，這就把設(shè)計模型、工藝模型與產(chǎn)品質(zhì)量聯(lián)系起來。借助敏感性分析技術(shù)對影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵設(shè)計、制造要素進行辨識，進而建立這些要素與產(chǎn)品性能之間的映射關(guān)系；以設(shè)計可靠性提升為目標，以產(chǎn)品性能、幾何包絡(luò)、質(zhì)量、接口以及制造缺陷為約束，通過優(yōu)化迭代實現(xiàn)增材制造產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵技術(shù)包括以下3方面。

2.1 面向設(shè)計制造一體化的數(shù)字化建模與管理平臺

統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型是實現(xiàn)設(shè)計制造一體化的源頭和核心。與傳統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型僅支持對物理產(chǎn)品的設(shè)計、工藝等圖紙、模型和文檔的管理不同，面向設(shè)計制造一體化的數(shù)字化模型需要包含設(shè)計、制造、使用、維護等產(chǎn)品全生命周期各階段統(tǒng)一的數(shù)據(jù)。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(chǎn)品的數(shù)字化建模與數(shù)據(jù)管理平臺軟件框架，要在數(shù)據(jù)層構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期各階段的統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，打通制造設(shè)備和相關(guān)軟件接口，采集產(chǎn)品全生命周期不同階段產(chǎn)生的多態(tài)、異構(gòu)和海量數(shù)據(jù)；以數(shù)據(jù)支撐模型層的各類模型創(chuàng)建，包括幾何模型、仿真模型、優(yōu)化模型等；進一步，在運算層通過計算軟硬件資源調(diào)度，實現(xiàn)仿真分析優(yōu)化功能，最終支撐應(yīng)用層對產(chǎn)品質(zhì)量進行預(yù)測、評價和優(yōu)化，為航天增材制造產(chǎn)品設(shè)計和工藝優(yōu)化提供軟件平臺保障。

圖2 平臺框架

2.2 基于數(shù)字化模型的增材制造產(chǎn)品質(zhì)量評價技術(shù)

制造過程中不可避免地會與理想設(shè)計狀態(tài)產(chǎn)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(nèi)部的各種缺陷，由這類具有“偏差”的零件組裝而成的產(chǎn)品難以達到理想性能要求。對于特定的零件產(chǎn)品，其幾何特征、材料屬性、表面和內(nèi)部缺陷等都是有差別的。

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

2.3 面向可靠性提升的增材制造產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

在模型空間中對物理實體的可靠性工作狀態(tài)開展全要素重建及數(shù)字化映射，以產(chǎn)品性能預(yù)測的數(shù)字重構(gòu)模型為基礎(chǔ)，依據(jù)失效模式分析對產(chǎn)品可靠性進行評估。借助敏感性分析技術(shù)對產(chǎn)品可靠性的關(guān)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(chǎn)品可靠性之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)基于數(shù)字重構(gòu)模型的實物產(chǎn)品可靠性評估和優(yōu)化設(shè)計。以最大化產(chǎn)品設(shè)計可靠性為目標，以產(chǎn)品性能、質(zhì)量、接口以及制造缺陷為約束，構(gòu)建優(yōu)化列式，提高增材制造產(chǎn)品的可靠性預(yù)計。同時，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果確定產(chǎn)品關(guān)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(chǎn)品為例，對設(shè)計制造一體化技術(shù)探索進行簡要描述。如圖3所示的弧形點陣夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部填充體心立方點陣。經(jīng)前期分析校核，確定點陣及蒙皮幾何參數(shù)，得到滿足設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)CAD模型。

圖3 點陣夾層弧板

在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)，首先將三維CAD模型數(shù)據(jù)傳遞至增材制造工藝軟件進行打印支撐設(shè)計和切片設(shè)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(shù)據(jù)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(chǎn)品變形情況。通過仿真對打印工藝參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，確定最終的上機數(shù)據(jù)。

圖4 工藝模型

(a)不同時刻的溫度分布

在質(zhì)量評價環(huán)節(jié)，對圖6給出的實物產(chǎn)品進行工業(yè)CT檢測，利用點云數(shù)據(jù)對實物產(chǎn)品進行逆向建模，得到能夠反映產(chǎn)品真實的變形翹曲缺陷的數(shù)字重構(gòu)模型。將數(shù)字重構(gòu)模型代入設(shè)計模型，對產(chǎn)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(shù)字重構(gòu)模型對有限元仿真模型進行修正，對產(chǎn)品的使用性能進行評價。

(a)實物產(chǎn)品

在可靠性提升環(huán)節(jié)，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(qū)域桿件半徑作為可靠性優(yōu)化設(shè)計變量?？紤]外荷載特點，對點陣桿徑進行分區(qū)定義，圖7給出了分區(qū)定義的優(yōu)化變量和優(yōu)化結(jié)果，具體數(shù)值見表1。5個區(qū)域的點陣半徑被重新分配，優(yōu)化設(shè)計的質(zhì)量略低于初始設(shè)計，但設(shè)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(yōu)化前后對比

(a)優(yōu)化變量分區(qū)示意

4 結(jié)束語

本文將結(jié)構(gòu)多學科優(yōu)化、工藝成型過程仿真，無損檢測及逆向重構(gòu)技術(shù)等先進手段融入設(shè)計制造流程，把設(shè)計、仿真和制造有機統(tǒng)一起來，通過仿真驅(qū)動設(shè)計來提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本。未來對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計和增材制造產(chǎn)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(fù)雜產(chǎn)品運用設(shè)計制造一體化技術(shù)，對降低產(chǎn)品制造成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的意義。