增材制造路线图—迈向智能化和工业化（上）

Chinese Journel of Mechanical Engineering : additive Mangacturing Frontiers《中国机械工程学报：增材制造前沿》是由中国科协主管、中国机械工程学会主办的英文学术期刊，于2022年2月15日正式创刊发文。这是中国第一份在爱思唯尔（Elsevier）开设的增材制造领域专业学术期刊，编委会由国内增材制造领域的众多著名专家学者组成。

2022年2月18日，《Chinese Journel of Mechanical Engineering : additive Mangacturing Frontiers》的首篇论文《Roadmap for Additive Manufacturing: toward Intellectualization and Industrialization》（《增材制造路线图：迈向智能化和工业化》）”在ScienceDirect上线。14位中国增材制造专家对增材制造的 设计方法、材料、工艺和设备、智能结构、生物结构以及在极端规模和环境中的应用 进行了全面的综述，旨在描述未来5~10年的技术研究路线图。作者为西安交通大学李涤尘、田小永教授团队；南京航空航天大学顾冬冬教授团队；西北工业大学林鑫教授团队；清华大学林峰教授团队；华中科技大学宋波教授团队。

本期，我们为您带 来设计方法、材料、工艺和设备 的精彩内容。

01

增材制造的设计方法

 

发展现状

1）拓扑优化 。一种计算机辅助设计方法，用于生成复杂结构的创新设计，表现出可调刚度、梯度特征和优异的轻质性能。通过拓扑优化把多个部件合并成一个部件是常见的优化策略。

2）多学科优化 。设计结构需要满足多个目标并满足相关约束，例如复杂的载荷条件、高耐热性、有限的应力和位移。多学科优化不仅包括典型的结构设计约束，也包括工艺的约束，例如材料的各向异性、打印方向和过程参数。工艺仿真软件可以预测加工过程中的温度梯度和残余应力分布，获得的温度场或应力场可用于帮助消除结构变形。

3）微观晶格和宏观结构的梯度设计 。

4）数据驱动的集成工艺-结构-性能的设计 。以实现多个工艺参数、打印方向和结构设计的并行优化。

（a）飞机机翼拓扑优化；（b）发动机的薄壁晶格填充；（c）耐热结构的双梯度材料和功能设计；（d）带有支撑结构的金属承重结构；（e）和（f）承重结构的无支撑设计；（g）钛合金多层级设计；（h）、（i）和（j）卫星支架的实体-点阵并行设计；（k）连续变化的点阵多层级设计。

未来方向

1）结构和多学科拓扑优化 。结构设计的综合优化需要考虑宽频振动、循环载荷下的材料疲劳、极端高温和强辐射等极端载荷条件。需要实施外部载荷的多物理模拟，以增强和拓宽综合优化的视野。所设计的部件保持必要的机械性能，并具有其他功能，例如光学、电磁、热性能等。引入多物理驱动的体积设计，将多尺度特征和多类型材料进行数字化整合，实现结构的功能融合。

 

2）知识库驱动的设计方法 。这是智能设计和制造系统的一个重要方面，知识库包括材料数据库、功能晶格单元库、工艺参数组合、以及它们之间的相互影响关系。这些信息可以通过多物理过程模拟、人工智能以及机器学习算法建立。

 

3）以成本为导向的设计 。收集设计、制造和服役期间的真实数据流，支撑面向成本的设计。产品设计的迭代过程在数字系统中进行将显著降低开发成本和时间消耗。

 

4）自动化超材料结构设计 。通过模块化设计方法，创造具有期望性能的超材料。

增材制造设计方法路线图

02

增材制造的材料

发展现状

1） 金属、聚合物、陶瓷和天然材料 已经用于不同的增材制造工艺中。

 

2）基于这些同质材料系统，已经成功地建立了使用 异质材料 (包括各种复合材料和多种材料)的工艺，以便获得更高的性能、更多的功能，甚至定制的性能，包括例如阻燃聚合物、直接金属和陶瓷复合材料。

3）具有某些响应特性的 智能材料 ，如形状记忆的4D打印。

增材制造材料体系

 

未来方向

1）完善材料设计理论 。通过材料基因组建立专业数据库，实现智能优化选材。通过建立成分、工艺、微观结构与性能之间的内在联系，可以根据材料的性能设计出满足要求的微观结构。

 

2）对于以目标为导向的材料多层次、多因素设计 。对于结构材料，要实现面向材料的增韧设计；对于智能材料，如形状记忆聚合物和合金，有必要实现可控的变形恢复设计。

 

3）智能复合材料 。先进复合材料的先进制造技术将为实现跨尺度智能复合材料结构的设计和制造提供有力的工具。

03

增材制造的工艺和设备

发展现状

1） 正在智能转型 。在保持定制的效益基础上，具有数字化基因的增材制造正在提高大规模生产效率、质量控制、柔性生产等方面的核心竞争力。

2） 将高端机床和智能工业机器人引入设备架构 ，大大提高增材制造过程中传感和控制的效率和自动化水平。

3） 设备自动化与数字信息化相结合 。基于数据、软件和网络并结合多尺度建模和模拟、机器学习和人工智能等先进技术，建立数字生态系统，有效地将信息与物理过程联系起来，刺激制造能力。

4） 机器人辅助、增减材复合 。通过将增减材成形制造相结合的混合多任务处理使得在单个处理设置期间修改内部和外部特征成为可能。此外，在机器人传感器或摄像机的帮助下，可以通过在线识别和反馈实现自主路径规划和原位参数调整。

5）创建一个 包含机械、统计和控制建模的数字双胞胎 ，以智能和经济有效的方式认证增材制造产品。

基于先进设备和数字生态系统的增材框架

未来方向

1）开发多机器人协作下的混合增材制造解决方案 。以敏捷制造为核心的混合制造结合了各种加工技术的优点，在多材料、多结构和多功能制造方面显示出良好的前景。

 

2）提高监控和传感设备的功能和集成度 。调幅过程中的信号处理涉及视觉、光谱、声学和热学。多功能单一装置将显著提高监测和传感装置在工业中的普及性；同时，通过与数据预处理软件的耦合，将提高物理建模、过程优化和闭环控制中的数据可用性。

3）将工业互联网融合成增材制造数字孪生 。工业互联网可以解决数字孪生的核心问题——模型和数据，从而通过云平台共享和分析数据和模型。

 

4）完善增材数字生态系统 。集成先进设备或技术，如过程监控、信息感知、机器学习、人工智能、数据库等。

工艺和设备未来行动项

下期，我们还将带您了解14位中国增材制造专家对增材制造的 智能结构、生物结构以及在极端规模和环境中的应用方面 的精彩内容，与您一起畅谈未来5~10年的技术研究路线图。敬请关注！

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