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面向增材制造的设计所面临的挑战与机遇

CarolynConnerSeepersad

摘要

增材制造（Additivemanufacturing，简称AM）使复杂结构的制造成为可能，此复杂结

构包括：内部结构拓扑的整体几何关系，和其材料成分的空间分布。伴随制造方法的解放而

来的是增材制造方法的设计面临的诸多难题。这些难题包括：表示和优化复杂的几何图形和

功能梯度材料的方法；将面向AM的设计知识融入到设计过程；制作面向AM的设计工具，

使专家和初学者都能更容易地接受相关知识。虽然研究人员针对这些难题正在开展许多工

作，但若想使AM产品设计革命化和自主化，尚需一些重大的技术革新。

增材制造不仅改变了我们的制造方式，而且改变了产品的形式。在逐层添加式制造中，

通过仅在需要的地方放置材料，可以制造出内部构造非常复杂的产品，增强了产品功能（如

图1）；通过改变产品内部不同位置的材料成分，可以开发出功能梯度结构；或通过在不同

的位置设计不同的材料，可以产生截然不同的功能（如图2）。利用数字文件直接制造零件，

而不需任何加工和接合，这种生产方式对小批量的生产来说非常经济，因此为私人定制和单

品制造提供了途径（如图3）。

图1.利用增材制造技术制造并增强了产品功能的的复杂结构举例。(a)无人机的可展开翼

型，内部的晶格结构增强了翼型表面的轻质性和柔性。[24,25](b)NervousSystem公司生产的

菌丝灯（图片由设计师JesseLouis–Rosenberg和JessicaRosenkrantz提供）。

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图2.多材料结构举例。(a)铝材零件中间夹入铜材以提高温度均匀性（图片来自路易斯威

[26,17]

尔大学的B.Stucker）。(b)头盔嵌入内置的加速度计，监测创伤性头痛（图片来自UTEP

的E.MacDonald，©英国翡翠出版集团，版权所有[28]

）。

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图3.增材制造技术实现定制的举例。(a)病人的假肢接受腔，其特定的内表面通过激光选

[29]

区烧结而成（图片来自奥斯汀德克萨斯大学的R.Crawford）。(b)一个用来讲解地球和月

球周围重力场的教具（图片来自奥斯汀德克萨斯大学的J.Fox,M.Howell,E.Ranz,J.Slowik

和J.Walker。）。

可是，为了挖掘AM的潜力，我们也必须改变设计产品的方法。作为设计工程师，我

们面临的首要挑战就是打破传统制造技术造成的概念壁垒。认知心理学领域和工程设计领域

的研究人员已经证明，设计者倾向于坚持他们之前见过的设计[1-6]

。而且，大多设计者早先

曾（通常是专门地）学习、修改或逆向设计传统零件，这些零件要符合所有面向制造的设计

的规定和限制，同时也满足喷射铸造、浇铸、机械加工和其它常见的制造技术的设计要求[7]

。

当一块洁净的石板和一台AM机器摆在面前时，我们很难想象有哪种畅销的设计不能通过

其它的方式制造。例如，本文附图中的