国内制造企业如何融入增材制造的设计？

作者：林传春

3D打印技术在航空航天零部件，骨科植入物、模具镶件、热交换器等制造领域取得了有目共睹的进展。即使是不熟悉3D打印技术的人也容易发现，通过3D打印技术生产的产品与传统技术制造的产品在设计上有着明显不同。这是由于，那些作为最终产品而非设计原型的3D打印零部件，往往是采用增材制造设计思维设计的，充分利用了增材制造技术能够制造复杂结构的优势，突破传统技术对设计的束缚实现功能最优化设计。

那么，当国内制造企业，尤其是中小企业面对3D打印技术时，如何融入面向增材制造的设计，设计师如何才能掌握基于增材制造的产品设计方法-为增材制造而设计（DfAM）的思维设计法呢？在本期文章中，作者就这两个问题进行详细分析，希望能够对制造企业和设计师有所帮助。

企业经营的转变涉及很多环节的调整，很难在短时间实现，让设计师直接掌握最“纯正”的DfAM设计方法需要时间长，且很难迅速在所定位的产品中灵活的运用。企业运用新技术替代传统技术的转变需要一系列的“过渡阶段”，在不影响企业正常经营的情况下，逐步实现企业向增材制造设计的转型。

I 对于多数的产品设计与制造企业，不能实现降低企业成本，批量化生产和增加企业收益的技术肯定不会用。

I 为增材制造而设计（Design for additive manufacturing，DfAM)是一种设计方法。常见的定义是：基于增材制造技术的能力，通过形状、尺寸、层级结构和材料组成的系统综合设计最大限度提高产品性能的方法。

企业如何转变观念，融入增材制造技术？

我们需要面对的现实情况是：很多国内的企业都希望能够降本增效，一项新的技术，如果能够满足企业“降本增效” 的需求，才可能被企业关注，并引入到企业当中。现在国家大力提倡的“机器人换人”战略，机器人自动化技术能够真实的让企业减少人工成本，并且提升产能。企业经营者能够看到，每增加一个机器人的运用，就可以减少几个人工成本，逐步替换，实现企业生产制造的“无人化”，将边际成本变为最低。这个技术带来的好处是比较明显的，因此很多的企业都有在这方面发力，按照企业规划的自动化发展阶段，在不影响经营的情况下 ，逐步实现转变。

对于增材制造技术在企业的发展阶段，笔者归纳了四个阶段，分别呈现给大家：

• 初级阶段—让增材制造技术充当“助手”
• 入门阶段—让增材制造技术充当“特种小分队”
• 增长阶段—让增材制造成为企业的“先锋部队”
• 完成阶段—完成转型实现企业发展“新定位”
  

在入门阶段，笔者详细阐述了一种新的面向企业的设计师DfAM思维培养理论与方法—结构功能融合设计法。

初级阶段—让3D打印技术充当“助手”
对于企业而言，就目前的3D打印技术实现能力，可能只是自己在产品制造当中的一个环节，要完全替代原有生产线，不是短时间能够实现的事情。要启动转变，就需要让3D打印技术在产品设计制造周期当中，先充当“助手”的身份，在产品原型设计，还没有实现批量化的阶段，帮助企业实现降本增效。

在确定产品的设计需求以后，设计师需要根据产品功能需求，同时还要考虑企业所能提供的制造能力和投入资金情况下，尽早完成产品的设计，尽早投入到生产环节。这是笔者所理解的企业经营者在思考时的“底层思维”。

3D打印在这个阶段，可以以其快速原型验证的特点，减少产品原型的制造周期，实现快速产品迭代。原本需要数月，花费几十万资金的原型阶段。可以利用这个技术，缩短为1-2周内的时间，成本只有原来的十分之一，甚至更少，实现降本增效。现在的3D打印手板业，基本就是3D打印快速原型验证的实际市场化运用。对于原型验证少的企业，可以选择寻找打印服务，对于原型验证多的企业，则可以选择自购打印机，实现快速原型验证。

入门阶段—让3D打印技术充当“特种小分队”
都说“模具是工业之母”，大量的制造业企业，都使用模具设备来实现产品高效率、大批量、低成本的生产。另一种就是传统机械行业的一些产品， 需要利用减材制造的技术来实现产品的加工生产，企业需要购买设备或以买服务的方式，以“车铣刨磨”等多种机加工方式来满足产品的制造需求，大量不同的专业设备，带来了采购成本，也带来了大量的专业设备操作人员的人工成本和时间成本，产品完整生产模具开发成本也很高。这些统称之为生产成本。想要平摊产品的生产成本，要么就是大批量生产，要么就是提高产品的价格，这是笔者理解的企业经营者在思考批量制造阶段时的“底层思维”。这样的方式所导致的结果就是—-越是个性化定制的产品，越是市场需求量少的产品，价格就出奇的高。

《商战》一书中谈到，—商场如战场。如果把一家企业比作一直作战的军队，那么现有的“军队”编制和运营能够让企业应对当前局势。突然转变并不可取，而在现有编制下，打造一只“特种小分队”，则是一种合适的发展选择。

对于大企业，企业中有一定规模的设计部门存在，具体到企业中可执行的策略就是，在设计部门选择数人成立增材制造产品研究小组，根据自身的产品定位与特点，来开发新的适应于增材制造而且有市场需求的个性化产品，并合理的控制新产品价格。以此为企业注入新的产品竞争优势，同时也不必花费过多的人力物力。

在产品的设计生产过程中，设计师会积累大量的增材制造相关的设计经验，与设备经常的打交道能够帮助设计师更好的理解增材制造的相关工艺设计，培养增材制造设计思维，使设计更适合于使用增材制造制造。在采用适合3D打印制造的方式实现小批量的设计并制造以后，只需要根据订单需求，调取原有设计数据，制造个性化定制的产品并投入市场。

对于中小企业，本身设计部门的时间有限，不能单独成立“特种小分队”

开发新产品。要解决这个难题，有一种比较简单的解决方式就是—原始设计+3D打印辅助设计。在不太改变原有产品的功能与结构设计的情况下，与具备增材制造设计能力的公司进行项目合作，针对要使用3D打印技术制造的产品，只对局部做修改调整，使其符合3D打印的工艺要求。进而用3D打印技术实现批量化的生产，以缩短产品开发周期，如果企业不想承担当前3D打印技术昂贵的设备成本，也可以选择3D打印的服务。来实现对成本的控制，完成产品的制造环节，并同时让中小企业具备了“特种小分队”这样的竞争优势。

不管对于哪种企业，最为彻底的解决方式就是——培训企业设计人员的增材制造设计思维，使其具备应用3D打印设备做设计的能力。这是一种从内部实现改变的最好的方式。

对于很多的企业而言，自己企业的设计人员的大部分时间都在自家产品“设计”上。对自家产品的一些设计细节的把握非常细致。对于产品提出的任何新问题，都可以快速的找到新的设计方法，实现产品的迭代。从这点来说，设计师的“原有设计思维”是非常强的。如果想彻底的去改变一个人常年使用的思维和方法，也是非常困难的。既然做减法难，那就做思维的加法，在原有产品设计思维的基础上，增加增材制造的设计思维。那我们如何实现让设计师在“原有产品设计思维”上，逐渐实现思维的叠加，笔者给出的建议如下:

进行增材制造技术的培训
与增材制造相关的专家或者设备供应商合作，为企业的设计师进行适合企业的增材制造技术的设备使用的工艺讲解。使设计师知道并理解有这样一个设备，它的基本工艺特点。让设计师意识到：“这个设备是我设计时可以使用的一种新的制造方法，我可以选择不用以前的设备来考虑制造自己设计的产品，而是用这种新技术实现产品的设计”。

越是年轻的设计师，接受新事物的能力越强。企业可以选择一些年轻的设计师来熟悉这个技术，并给予设计师尝试的技术，让设计师直接考虑以这样的制造技术来实现产品的设计与制造。再才是针对这样的技术一点点的优化迭代自己的产品设计思路。这个阶段，要允许设计师对设计的创新尝试，允许试错。只要做的设计能满足产品需求，能够用3D打印制造出来，也不必要考虑最优化设计，就安排生产，投入市场 。一次次的产品设计，一次次的设计迭代，直到达到成熟，这样一个原有产品设计思维+增材制造设计思维的设计师就会成为了企业的竞争新优势！

需要提及的是，当前现有的DfAM思维培训中，基本都绕不开仿真设计环节，但对于很多中小企业来说，花费巨资购买仿真软件以及花很长时间培养具备仿真能力的设计人员，并不是企业最好的选择，这也给这个技术的推广设置了巨大的门槛。以下两点可以帮助企业设计师快速获得DfAM思维能力，而不需要花费巨资。

1. 选择具备仿真能力的软件做基础仿真。
有一点必须注意的是：对于很多产品更重要的是能够制造出来，仿真只是帮助产品优化的手段之一，而对于一些本身结构优化要求不高，更多追求功能实现的产品设计来说，如果在仿真方面花费的时间与精力占用了产品太多的开发周期，并不可取。像Solidworks这样的上手容易的建模软件其实也有仿真功能，在网上寻找网课，只需要花费很少的费用和时间，学学基本的增加载荷做受力分析，就可以验证自己改造的设计，结构受力是否合理。

另外值得一提的是：Altair的 inspire仿真软件，也可供普通设计人员使用，操作上去除了复杂的操作流程。笔者在安装完软件，3小时内就能够根据教程，摸索着完成了第一个仿真和优化的结构—桥梁支撑结构。在完成关键步骤后，等待电脑的自动计算，得到结构的仿真优化结果，以帮助自己调整设计。由于是增材制造，设计师也不需要太担心加工不了的问题。

笔者上手inspire软件3小时后的第一个仿真设计

2. 跨领域借鉴学习经验，提升兴趣。
3D打印制造赋予了设计师巨大的设计灵活性，设计师完全可以跨界学习。大量的吸收各行业的与自家产品类似的结构设计，将别人好的设计优化结构点运用到自己的产品设计中。比如法兰面的设计，对于局部结构减重设计，完全可以参考借鉴汽车或者航空航天领域当中的典型减重结构设计方法，大胆的运到到自家的产品设计中，如果自己没有把握，就使用具备基础仿真功能的软件做单个功能的受力仿真（而不是全部），验证自己的推测，单一功能的仿真，也不需要大量的计算资源和时间。设计师以此不断积累新的功能结构轻量化的案例，自然就能让自己的产品越来越轻量化，越来越适合于增材制造。当设计师真正感受到这种自由组合，不受限制的设计方式带来的快感以后，更有动力去主动深入研究对于自家产品的优化方法。一步一步的实现向增材制造设计思维—DfAM设计思维的转化。

法兰面典型“花瓣”减重设计结构

写到这里笔者简单总结一下上面内容阐述的方法：

1. 学习具有仿真功能的软件，掌握基本仿真能力，如果产品本身优化性要求不高，则优先考虑增材制造的新工艺要求，保证产品开发周期和生产质量，逐步迭代；

2. 跨行业领域学习别人做的局部单一功能设计结构，并结合自身产品参数做仿真验证；

3. 将积累的局部单一功能设计通过建模融合到现有产品设计中；

4. 不断积累与迭代自己的产品和积累设计功能结构设计，逐步实现向DfAM设计思维转化。

这种方法笔者自己一直使用，在积累到一定量的时候，一个新产品里只有少部分是新的功能结构，需要花点时间设计和验证，这能够大大减少新产品的设计周期，笔者把这种方法称之为—结构功能融合设计法 。企业的设计师以这种方法长期训练，设计思维将将变得越来越灵活，产品的增材优化度越来越高，直到达到产品做到真正的全增材制造优化。

增长阶段—让3D打印成为企业的“先锋部队”
由于企业的规模不同，设计师的能力不同，各企业在入门阶段的发展时间并不一致。但基于入门阶段，企业设计师对于针对自身产品适应增材制造技术的积累，新产品开发的速度大大提升，此时就可以考虑将原来的“特种小分队”，升级为“先锋部队”，增加企业在增材制造方面的人力与物力以及市场宣传的投入。

1. 这个阶段，需要大力宣传增材制造的产品，将原有传统产品与增材制造新产品共同发力进入市场，在原有产品老名片的基础上，让增材制造产品成为企业的新名片。

2. 合理推进增材制造产品在企业生产产品总量的占比。在传统制造方式和增材制造设计方式制作的产品市场化的过程中，根据市场的反馈，适应性的提高增材制造的产品占比，避免产能升级太快，出现原有产能不足或者产能过剩的情况发生。

3. 原来选择使用传统产品的客户，尝试使用新的增材制造产品，建立起客户对增材制造产品附加价值的认可。

同样的，企业的产品类型和用户规模等都会影响这个过程的发展时间，企业可按照上述方式稳扎稳打，在传统的流水线多流程的产品设计模式中，逐步融合增材制造产品设计与生产模式，逐步实现企业的转型。

完成阶段—完成转型实现企业发展“新定位”
当企业完成产能转型，基本意味着公司的设计人员具备了完整增材制造的设计思维和设计经验，企业的生产流程也是适合于增材制造的管理流程，还包括非常重要供应链的管理，都已经实现了过渡。

在掌握了增材制造技术以后，针对目前公司已有产品类型的设计方法和规则已经大量的标准化，流程化，设计部门也积累了大量的适合增材设计制造的设计经验，具备了增材制造的设计思维。以增材制造的灵活性，这些经验和设计能力完全可以拓展至与更多与企业当前产品有关的领域，或者制造技术方面相同的跨界行业领域，为公司开辟全新的产品发展路线。

在3D打印行业从业多年，一直在3D打印技术方面以DfAM的设计思维做实践运用。立志推广3D打印技术的运用，希望让更多人感受到3D打印带给人们的价值。