增材製造是指基於類似數學微積分的離散-堆積原理，由零件三維數據驅動和計算機自動控制實現精確可控的，逐層增加材料直接製造零件的數字製造技術。相比減材和等材製造，增材製造無模具、無工裝，但它絕不僅僅是一種新的製造加工工藝方法，而是新一輪科技革命和產業革命中將會改變人類生產方式和生活方式的重要引擎和顛覆性技術體系。這種顛覆性體現在，除了這種新的製造工藝自身帶來的優勢以外，更重要的是，它實現了結構設計、高性能材料製備、複雜構件製造的一體化，併為宏觀上的結構設計和微觀上的材料製備帶來革命性的變化。
增材製造技術背後的增材思維是一場設計的革命，它完全打開了設計枷鎖，DFM（製造）、DFA（裝配）等基於減材製造的傳統設計方法少有用武之地，設計人員可以真正迴歸用戶需求，進行面向功能的設計（DFF）或面向增材製造的設計（DFAM），按照價值、功能和能量的觀點，使設計與工藝、設計與製造之間不再是因果與順序關係而是互為激勵的活系統，以效法自然的方式實現大型/超大型構件或結構系統、複雜/超複雜構件或結構系統、多品種小批量個性化產品的低成本創新設計和快速製造，乃至創造超常結構實現超常功能。
安世亞太經過多年基於對系統工程、產品正向設計和仿真分析的實際應用經驗，結合增材行業應用的深刻題解，脫胎於資源全局優化配置的創新商業模式，提出了基於正向設計和增材製造的高端研發與先進製造整體解決方案，為《中國製造2025》中的設計製造一體化提供可落地實施的解決方案。
1、技術架構
基於正向設計和增材製造的高端研發與先進製造整體解決方案的技術架構參照了錢學森在系統觀點指導下1980年代初提出的“三個層次一座橋樑”的現代科學學科體系一般框架，包括基礎學科層——系統工程、數學、物理學、材料學等，信息化使能環境——面向數字主線和數字孿生的數據協同、基於大數據和物聯網的雲製造，技術學科層——TRIZ及技術創新和管理、拓撲優化、工程仿真、知識工程，工程技術層——基於系統工程面向增材製造的產品材料工藝一體化設計方法學、及其流程體系組合配置而成的正向設計諮詢體系、先進製造工藝融合優選諮詢體系、先進材料製備研備服務體系，工程實踐層——面向工業品的解決方案體系（如飛機、航空發動機、汽車、模具等）、面向產業鏈的解決方案體系（如創業者、消費者、高等教育和職業培訓等公共事業、文創、建築等）、面向工業化和信息化的產品體系（工藝和材料設備、軟件工具和平臺等）,核心內容為：
圖1 基於正向設計和增材製造的高端研發與先進製造整體解決方案技術架構
2、流程體系
面向增材製造的設計的總體流程如圖2所示。這一流程涵蓋了產品的需求分析、架構設計、詳細設計等過程。在實際應用時，需要將這一指導性流程與雙V模型的系統工程過程框架進行結合。圖3給出了基於德國標準機械產品系統化設計VDI 2221的面向增材製造的設計流程，可以認為這是圖2按VDI 2221在研發階段上的具體化。
支撐上述面向增材製造設計頂層流程的是若干專業化子流程，如基於MBSE的系統建模、拓撲優化及仿真和創成設計一體化流程（圖4），面向增材製造的創成設計流程（圖5）等。
圖2 面向增材製造的設計方法的總流程
基於VDI 2221的增材製造設計流程見下圖3：
圖3 基於VDI 2221的增材製造設計流程
正向設計和增材製造結合的解決方案，應用於工程海量數據、工業大數據、互聯網大數據等不同種類的數據整合、分析、挖掘、展示場景，應用於產品模型數據的管理、融合和協同，應用於知識管理、知識工程、各種專業數據庫/知識庫建設，乃至應用於集團企業的商業智能和戰略決策等。
圖4 面向增材製造的雲設計製造模式下的數據層服務示例
3、成功案例
1、機器人手臂增材正向設計案例
圖5是機器人手臂拓撲優化---流程與演進：
圖5 機器人手臂增材正向設計---流程與演進
增材設計效果以及通過實際增材打印進行試驗的情況見圖6：
圖6 機器人手臂增材設計效果及實際試驗情況
2、分流器封蓋增材正向設計案例
分流器封蓋有相應的設計輸入和要求：
載荷：1.5 g加速度，極限載荷1kg
目標：精密高剛度放置，降低質量
目的：優化剛度
圖7 分流器封蓋增材正向設計---流程與演進
增材設計效果以及通過實際增材打印進行試驗的情況見圖8：
圖8 分流器封蓋設計效果及實際試驗情況
4、結論
增材製造與傳統制造的關係，可以類比為經典物理和原子物理的關係，增材製造未來的發展也必定像原子物理、量子物理一樣有著廣闊而深遠的前景。基於增材思維的先進製造技術體系正是中國製造業轉型升級的“第二種機會窗口”，使得我們有可能換道超車。增材思維是一場迴歸設計本質、打破思維定勢、釋放設計自由度和激發創造力的革命；這場革命不僅是製造的革命，更是設計的革命，針對的不僅是產品研發設計人員，而是全體民眾。安世亞太倡導的精益研發與基於正向設計和增材製造的高端研發與先進製造整體解決方案必然在這場革命中經受實際應用的洗禮，進而不斷完善走向成熟，基於正向設計和增材製造的高端研發與先進製造整體解決方案就是安世亞太對“弘揚精益精神，創造智慧工業”這一初心和願景的最新詮釋。
閱讀更多 安世亞太 的文章
