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(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的不斷突破，增材制造憑借無?；⒍讨芷诩敖鼉舫尚偷娘@著優(yōu)勢，已經(jīng)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(chuàng)新設計的關鍵技術。然而，由于設計、工藝及檢驗等關鍵環(huán)節(jié)的相互脫節(jié)，設計工藝性不足、制造缺陷頻發(fā)、質量一致性差、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(yōu)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(tǒng)一起來，把工藝設計納入結構設計流程，利用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)品研發(fā)，對傳統(tǒng)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(xiàn)在兩個方面，一是在傳統(tǒng)優(yōu)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(yōu)化設計空間，得到具有更豐富層次和更優(yōu)異性能的創(chuàng)新結構。Kumke等[3]對傳統(tǒng)設計理念和實現(xiàn)方法進行優(yōu)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(guī)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(yōu)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(yōu)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(jīng)驗的結構優(yōu)化設計理念，將二者有機結合以最大限度發(fā)揮結構優(yōu)化設計的作用，實現(xiàn)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(xiàn)要有軟件平臺和相關流程規(guī)范的保證。冷峻[8]通過對航空產(chǎn)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(shù)據(jù)源、管控研制過程、改進業(yè)務流程等技術手段，可提高航空產(chǎn)品的研制質量和效率；黨衛(wèi)兵等[9]分析了某航天產(chǎn)品設計與制造協(xié)同的業(yè)務現(xiàn)狀，提出了基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的航天產(chǎn)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(shù)據(jù)源，大幅提高了設計制造協(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)的設計制造一體化技術，將傳統(tǒng)的設計、工藝、制造數(shù)據(jù)納入PDM統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了設計模型、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用環(huán)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(yōu)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(chǎn)品特點，對現(xiàn)有航天結構產(chǎn)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。基于國產(chǎn)化的產(chǎn)品全生命周期PLM平臺，建立集成產(chǎn)品設計制造過程的數(shù)字化建模和管理軟件，實現(xiàn)對設計模型、工藝模型和基于實物數(shù)據(jù)逆向重構的數(shù)字模型的統(tǒng)一管理；構建包含設計、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，打通制造設備和相關軟件接口，對產(chǎn)品全生命周期不同階段產(chǎn)生的異構、多態(tài)、海量數(shù)據(jù)進行采集和管理。

圖1 技術路線

通過對實物重構數(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)品的性能預測和質量評價，這就把設計模型、工藝模型與產(chǎn)品質量聯(lián)系起來。借助敏感性分析技術對影響產(chǎn)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(chǎn)品性能之間的映射關系；以設計可靠性提升為目標，以產(chǎn)品性能、幾何包絡、質量、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(shù)字化建模與管理平臺

統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型是實現(xiàn)設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(shù)字化模型需要包含設計、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，打通制造設備和相關軟件接口，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度，實現(xiàn)仿真分析優(yōu)化功能，最終支撐應用層對產(chǎn)品質量進行預測、評價和優(yōu)化，為航天增材制造產(chǎn)品設計和工藝優(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)品質量評價技術

制造過程中不可避免地會與理想設計狀態(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)品質量。首先，借助三維掃描、工業(yè)CT等無損檢測技術得到包含產(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)字化重構模型；然后，將精確反映實物產(chǎn)品特征的數(shù)字重構模型代入三維數(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、強度和剛度性能預測，最終實現(xiàn)增材制造產(chǎn)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(chǎn)品優(yōu)化設計技術

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)品性能預測的數(shù)字重構模型為基礎，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對產(chǎn)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(chǎn)品可靠性之間的映射關系，實現(xiàn)基于數(shù)字重構模型的實物產(chǎn)品可靠性評估和優(yōu)化設計。以最大化產(chǎn)品設計可靠性為目標，以產(chǎn)品性能、質量、接口以及制造缺陷為約束，構建優(yōu)化列式，提高增材制造產(chǎn)品的可靠性預計。同時，根據(jù)優(yōu)化結果確定產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)前期分析校核，確定點陣及蒙皮幾何參數(shù)，得到滿足設計要求的結構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(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)字重構模型。將數(shù)字重構模型代入設計模型，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(yōu)化前后對比

(a)優(yōu)化變量分區(qū)示意

4 結束語

本文將結構多學科優(yōu)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(tǒng)一起來，通過仿真驅動設計來提高產(chǎn)品質量、降低制造成本。未來對復雜產(chǎn)品設計和增材制造產(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雜產(chǎn)品運用設計制造一體化技術，對降低產(chǎn)品制造成本，提高產(chǎn)品質量有著重要的意義。