國內制造企業(yè)如何融入增材制造的設計？

作者：林傳春

3D打印技術在航空航天零部件，骨科植入物、模具鑲件、熱交換器等制造領域取得了有目共睹的進展。即使是不熟悉3D打印技術的人也容易發(fā)現(xiàn)，通過3D打印技術生產(chǎn)的產(chǎn)品與傳統(tǒng)技術制造的產(chǎn)品在設計上有著明顯不同。這是由于，那些作為最終產(chǎn)品而非設計原型的3D打印零部件，往往是采用增材制造設計思維設計的，充分利用了增材制造技術能夠制造復雜結構的優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)技術對設計的束縛實現(xiàn)功能最優(yōu)化設計。

那么，當國內制造企業(yè)，尤其是中小企業(yè)面對3D打印技術時，如何融入面向增材制造的設計，設計師如何才能掌握基于增材制造的產(chǎn)品設計方法-為增材制造而設計（DfAM）的思維設計法呢？在本期文章中，作者就這兩個問題進行詳細分析，希望能夠對制造企業(yè)和設計師有所幫助。

企業(yè)經(jīng)營的轉變涉及很多環(huán)節(jié)的調整，很難在短時間實現(xiàn)，讓設計師直接掌握最“純正”的DfAM設計方法需要時間長，且很難迅速在所定位的產(chǎn)品中靈活的運用。企業(yè)運用新技術替代傳統(tǒng)技術的轉變需要一系列的“過渡階段”，在不影響企業(yè)正常經(jīng)營的情況下，逐步實現(xiàn)企業(yè)向增材制造設計的轉型。

I 對于多數(shù)的產(chǎn)品設計與制造企業(yè)，不能實現(xiàn)降低企業(yè)成本，批量化生產(chǎn)和增加企業(yè)收益的技術肯定不會用。

I 為增材制造而設計（Design for additive manufacturing，DfAM)是一種設計方法。常見的定義是：基于增材制造技術的能力，通過形狀、尺寸、層級結構和材料組成的系統(tǒng)綜合設計最大限度提高產(chǎn)品性能的方法。

企業(yè)如何轉變觀念，融入增材制造技術？

我們需要面對的現(xiàn)實情況是：很多國內的企業(yè)都希望能夠降本增效，一項新的技術，如果能夠滿足企業(yè)“降本增效” 的需求，才可能被企業(yè)關注，并引入到企業(yè)當中�，F(xiàn)在國家大力提倡的“機器人換人”戰(zhàn)略，機器人自動化技術能夠真實的讓企業(yè)減少人工成本，并且提升產(chǎn)能。企業(yè)經(jīng)營者能夠看到，每增加一個機器人的運用，就可以減少幾個人工成本，逐步替換，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)制造的“無人化”，將邊際成本變?yōu)樽畹�。這個技術帶來的好處是比較明顯的，因此很多的企業(yè)都有在這方面發(fā)力，按照企業(yè)規(guī)劃的自動化發(fā)展階段，在不影響經(jīng)營的情況下 ，逐步實現(xiàn)轉變。

對于增材制造技術在企業(yè)的發(fā)展階段，筆者歸納了四個階段，分別呈現(xiàn)給大家：

• 初級階段—讓增材制造技術充當“助手”
• 入門階段—讓增材制造技術充當“特種小分隊”
• 增長階段—讓增材制造成為企業(yè)的“先鋒部隊”
• 完成階段—完成轉型實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展“新定位”
  

在入門階段，筆者詳細闡述了一種新的面向企業(yè)的設計師DfAM思維培養(yǎng)理論與方法—結構功能融合設計法。

初級階段—讓3D打印技術充當“助手”
對于企業(yè)而言，就目前的3D打印技術實現(xiàn)能力，可能只是自己在產(chǎn)品制造當中的一個環(huán)節(jié)，要完全替代原有生產(chǎn)線，不是短時間能夠實現(xiàn)的事情。要啟動轉變，就需要讓3D打印技術在產(chǎn)品設計制造周期當中，先充當“助手”的身份，在產(chǎn)品原型設計，還沒有實現(xiàn)批量化的階段，幫助企業(yè)實現(xiàn)降本增效。

在確定產(chǎn)品的設計需求以后，設計師需要根據(jù)產(chǎn)品功能需求，同時還要考慮企業(yè)所能提供的制造能力和投入資金情況下，盡早完成產(chǎn)品的設計，盡早投入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)。這是筆者所理解的企業(yè)經(jīng)營者在思考時的“底層思維”。

3D打印在這個階段，可以以其快速原型驗證的特點，減少產(chǎn)品原型的制造周期，實現(xiàn)快速產(chǎn)品迭代。原本需要數(shù)月，花費幾十萬資金的原型階段�？梢岳�用這個技術，縮短為1-2周內的時間，成本只有原來的十分之一，甚至更少，實現(xiàn)降本增效�，F(xiàn)在的3D打印手板業(yè)，基本就是3D打印快速原型驗證的實際市場化運用。對于原型驗證少的企業(yè)，可以選擇尋找打印服務，對于原型驗證多的企業(yè)，則可以選擇自購打印機，實現(xiàn)快速原型驗證。

入門階段—讓3D打印技術充當“特種小分隊”
都說“模具是工業(yè)之母”，大量的制造業(yè)企業(yè)，都使用模具設備來實現(xiàn)產(chǎn)品高效率、大批量、低成本的生產(chǎn)。另一種就是傳統(tǒng)機械行業(yè)的一些產(chǎn)品， 需要利用減材制造的技術來實現(xiàn)產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，企業(yè)需要購買設備或以買服務的方式，以“車銑刨磨”等多種機加工方式來滿足產(chǎn)品的制造需求，大量不同的專業(yè)設備，帶來了采購成本，也帶來了大量的專業(yè)設備操作人員的人工成本和時間成本，產(chǎn)品完整生產(chǎn)模具開發(fā)成本也很高。這些統(tǒng)稱之為生產(chǎn)成本。想要平攤產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，要么就是大批量生產(chǎn)，要么就是提高產(chǎn)品的價格，這是筆者理解的企業(yè)經(jīng)營者在思考批量制造階段時的“底層思維”。這樣的方式所導致的結果就是—-越是個性化定制的產(chǎn)品，越是市場需求量少的產(chǎn)品，價格就出奇的高。

《商戰(zhàn)》一書中談到，—商場如戰(zhàn)場。如果把一家企業(yè)比作一直作戰(zhàn)的軍隊，那么現(xiàn)有的“軍隊”編制和運營能夠讓企業(yè)應對當前局勢。突然轉變并不可取，而在現(xiàn)有編制下，打造一只“特種小分隊”，則是一種合適的發(fā)展選擇。

對于大企業(yè)，企業(yè)中有一定規(guī)模的設計部門存在，具體到企業(yè)中可執(zhí)行的策略就是，在設計部門選擇數(shù)人成立增材制造產(chǎn)品研究小組，根據(jù)自身的產(chǎn)品定位與特點，來開發(fā)新的適應于增材制造而且有市場需求的個性化產(chǎn)品，并合理的控制新產(chǎn)品價格。以此為企業(yè)注入新的產(chǎn)品競爭優(yōu)勢，同時也不必花費過多的人力物力。

在產(chǎn)品的設計生產(chǎn)過程中，設計師會積累大量的增材制造相關的設計經(jīng)驗，與設備經(jīng)常的打交道能夠幫助設計師更好的理解增材制造的相關工藝設計，培養(yǎng)增材制造設計思維，使設計更適合于使用增材制造制造。在采用適合3D打印制造的方式實現(xiàn)小批量的設計并制造以后，只需要根據(jù)訂單需求，調取原有設計數(shù)據(jù)，制造個性化定制的產(chǎn)品并投入市場。

對于中小企業(yè)，本身設計部門的時間有限，不能單獨成立“特種小分隊”

開發(fā)新產(chǎn)品。要解決這個難題，有一種比較簡單的解決方式就是—原始設計+3D打印輔助設計。在不太改變原有產(chǎn)品的功能與結構設計的情況下，與具備增材制造設計能力的公司進行項目合作，針對要使用3D打印技術制造的產(chǎn)品，只對局部做修改調整，使其符合3D打印的工藝要求。進而用3D打印技術實現(xiàn)批量化的生產(chǎn)，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，如果企業(yè)不想承擔當前3D打印技術昂貴的設備成本，也可以選擇3D打印的服務。來實現(xiàn)對成本的控制，完成產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)，并同時讓中小企業(yè)具備了“特種小分隊”這樣的競爭優(yōu)勢。

不管對于哪種企業(yè)，最為徹底的解決方式就是——培訓企業(yè)設計人員的增材制造設計思維，使其具備應用3D打印設備做設計的能力。這是一種從內部實現(xiàn)改變的最好的方式。

對于很多的企業(yè)而言，自己企業(yè)的設計人員的大部分時間都在自家產(chǎn)品“設計”上。對自家產(chǎn)品的一些設計細節(jié)的把握非常細致。對于產(chǎn)品提出的任何新問題，都可以快速的找到新的設計方法，實現(xiàn)產(chǎn)品的迭代。從這點來說，設計師的“原有設計思維”是非常強的。如果想徹底的去改變一個人常年使用的思維和方法，也是非常困難的。既然做減法難，那就做思維的加法，在原有產(chǎn)品設計思維的基礎上，增加增材制造的設計思維。那我們如何實現(xiàn)讓設計師在“原有產(chǎn)品設計思維”上，逐漸實現(xiàn)思維的疊加，筆者給出的建議如下:

進行增材制造技術的培訓
與增材制造相關的專家或者設備供應商合作，為企業(yè)的設計師進行適合企業(yè)的增材制造技術的設備使用的工藝講解。使設計師知道并理解有這樣一個設備，它的基本工藝特點。讓設計師意識到：“這個設備是我設計時可以使用的一種新的制造方法，我可以選擇不用以前的設備來考慮制造自己設計的產(chǎn)品，而是用這種新技術實現(xiàn)產(chǎn)品的設計”。

越是年輕的設計師，接受新事物的能力越強。企業(yè)可以選擇一些年輕的設計師來熟悉這個技術，并給予設計師嘗試的技術，讓設計師直接考慮以這樣的制造技術來實現(xiàn)產(chǎn)品的設計與制造。再才是針對這樣的技術一點點的優(yōu)化迭代自己的產(chǎn)品設計思路。這個階段，要允許設計師對設計的創(chuàng)新嘗試，允許試錯。只要做的設計能滿足產(chǎn)品需求，能夠用3D打印制造出來，也不必要考慮最優(yōu)化設計，就安排生產(chǎn)，投入市場 。一次次的產(chǎn)品設計，一次次的設計迭代，直到達到成熟，這樣一個原有產(chǎn)品設計思維+增材制造設計思維的設計師就會成為了企業(yè)的競爭新優(yōu)勢！

需要提及的是，當前現(xiàn)有的DfAM思維培訓中，基本都繞不開仿真設計環(huán)節(jié)，但對于很多中小企業(yè)來說，花費巨資購買仿真軟件以及花很長時間培養(yǎng)具備仿真能力的設計人員，并不是企業(yè)最好的選擇，這也給這個技術的推廣設置了巨大的門檻。以下兩點可以幫助企業(yè)設計師快速獲得DfAM思維能力，而不需要花費巨資。

1. 選擇具備仿真能力的軟件做基礎仿真。
有一點必須注意的是：對于很多產(chǎn)品更重要的是能夠制造出來，仿真只是幫助產(chǎn)品優(yōu)化的手段之一，而對于一些本身結構優(yōu)化要求不高，更多追求功能實現(xiàn)的產(chǎn)品設計來說，如果在仿真方面花費的時間與精力占用了產(chǎn)品太多的開發(fā)周期，并不可取。像Solidworks這樣的上手容易的建模軟件其實也有仿真功能，在網(wǎng)上尋找網(wǎng)課，只需要花費很少的費用和時間，學學基本的增加載荷做受力分析，就可以驗證自己改造的設計，結構受力是否合理。

另外值得一提的是：Altair的 inspire仿真軟件，也可供普通設計人員使用，操作上去除了復雜的操作流程。筆者在安裝完軟件，3小時內就能夠根據(jù)教程，摸索著完成了第一個仿真和優(yōu)化的結構—橋梁支撐結構。在完成關鍵步驟后，等待電腦的自動計算，得到結構的仿真優(yōu)化結果，以幫助自己調整設計。由于是增材制造，設計師也不需要太擔心加工不了的問題。

筆者上手inspire軟件3小時后的第一個仿真設計

2. 跨領域借鑒學習經(jīng)驗，提升興趣。
3D打印制造賦予了設計師巨大的設計靈活性，設計師完全可以跨界學習。大量的吸收各行業(yè)的與自家產(chǎn)品類似的結構設計，將別人好的設計優(yōu)化結構點運用到自己的產(chǎn)品設計中。比如法蘭面的設計，對于局部結構減重設計，完全可以參考借鑒汽車或者航空航天領域當中的典型減重結構設計方法，大膽的運到到自家的產(chǎn)品設計中，如果自己沒有把握，就使用具備基礎仿真功能的軟件做單個功能的受力仿真（而不是全部），驗證自己的推測，單一功能的仿真，也不需要大量的計算資源和時間。設計師以此不斷積累新的功能結構輕量化的案例，自然就能讓自己的產(chǎn)品越來越輕量化，越來越適合于增材制造。當設計師真正感受到這種自由組合，不受限制的設計方式帶來的快感以后，更有動力去主動深入研究對于自家產(chǎn)品的優(yōu)化方法。一步一步的實現(xiàn)向增材制造設計思維—DfAM設計思維的轉化。

法蘭面典型“花瓣”減重設計結構

寫到這里筆者簡單總結一下上面內容闡述的方法：

1. 學習具有仿真功能的軟件，掌握基本仿真能力，如果產(chǎn)品本身優(yōu)化性要求不高，則優(yōu)先考慮增材制造的新工藝要求，保證產(chǎn)品開發(fā)周期和生產(chǎn)質量，逐步迭代；

2. 跨行業(yè)領域學習別人做的局部單一功能設計結構，并結合自身產(chǎn)品參數(shù)做仿真驗證；

3. 將積累的局部單一功能設計通過建模融合到現(xiàn)有產(chǎn)品設計中；

4. 不斷積累與迭代自己的產(chǎn)品和積累設計功能結構設計，逐步實現(xiàn)向DfAM設計思維轉化。

這種方法筆者自己一直使用，在積累到一定量的時候，一個新產(chǎn)品里只有少部分是新的功能結構，需要花點時間設計和驗證，這能夠大大減少新產(chǎn)品的設計周期，筆者把這種方法稱之為—結構功能融合設計法 。企業(yè)的設計師以這種方法長期訓練，設計思維將將變得越來越靈活，產(chǎn)品的增材優(yōu)化度越來越高，直到達到產(chǎn)品做到真正的全增材制造優(yōu)化。

增長階段—讓3D打印成為企業(yè)的“先鋒部隊”
由于企業(yè)的規(guī)模不同，設計師的能力不同，各企業(yè)在入門階段的發(fā)展時間并不一致。但基于入門階段，企業(yè)設計師對于針對自身產(chǎn)品適應增材制造技術的積累，新產(chǎn)品開發(fā)的速度大大提升，此時就可以考慮將原來的“特種小分隊”，升級為“先鋒部隊”，增加企業(yè)在增材制造方面的人力與物力以及市場宣傳的投入。

1. 這個階段，需要大力宣傳增材制造的產(chǎn)品，將原有傳統(tǒng)產(chǎn)品與增材制造新產(chǎn)品共同發(fā)力進入市場，在原有產(chǎn)品老名片的基礎上，讓增材制造產(chǎn)品成為企業(yè)的新名片。

2. 合理推進增材制造產(chǎn)品在企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品總量的占比。在傳統(tǒng)制造方式和增材制造設計方式制作的產(chǎn)品市場化的過程中，根據(jù)市場的反饋，適應性的提高增材制造的產(chǎn)品占比，避免產(chǎn)能升級太快，出現(xiàn)原有產(chǎn)能不足或者產(chǎn)能過剩的情況發(fā)生。

3. 原來選擇使用傳統(tǒng)產(chǎn)品的客戶，嘗試使用新的增材制造產(chǎn)品，建立起客戶對增材制造產(chǎn)品附加價值的認可。

同樣的，企業(yè)的產(chǎn)品類型和用戶規(guī)模等都會影響這個過程的發(fā)展時間，企業(yè)可按照上述方式穩(wěn)扎穩(wěn)打，在傳統(tǒng)的流水線多流程的產(chǎn)品設計模式中，逐步融合增材制造產(chǎn)品設計與生產(chǎn)模式，逐步實現(xiàn)企業(yè)的轉型。

完成階段—完成轉型實現(xiàn)企業(yè)發(fā)展“新定位”
當企業(yè)完成產(chǎn)能轉型，基本意味著公司的設計人員具備了完整增材制造的設計思維和設計經(jīng)驗，企業(yè)的生產(chǎn)流程也是適合于增材制造的管理流程，還包括非常重要供應鏈的管理，都已經(jīng)實現(xiàn)了過渡。

在掌握了增材制造技術以后，針對目前公司已有產(chǎn)品類型的設計方法和規(guī)則已經(jīng)大量的標準化，流程化，設計部門也積累了大量的適合增材設計制造的設計經(jīng)驗，具備了增材制造的設計思維。以增材制造的靈活性，這些經(jīng)驗和設計能力完全可以拓展至與更多與企業(yè)當前產(chǎn)品有關的領域，或者制造技術方面相同的跨界行業(yè)領域，為公司開辟全新的產(chǎn)品發(fā)展路線。

在3D打印行業(yè)從業(yè)多年，一直在3D打印技術方面以DfAM的設計思維做實踐運用。立志推廣3D打印技術的運用，希望讓更多人感受到3D打印帶給人們的價值。