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摘要：提出了理想材料零件的新概念。它是指按零件的最佳使用功能要求设计，由呈梯度变化的组织成分和一定规律分布的细结构材料与均质材料所组合构成的新型材料零件。提出并阐明了理想材料零件数字化的并行设计制造（简称数字化设计制造技术）的方法和理论基础；它以材料与零件的一体化、集成化设计制造为主要特点，可根据零件功能要求进行零件的外部几何拓扑形状和内部材料组织细结构的并行设计，并采用增材制造和去材制造相结合的制造技术，按数字化设计的信息，一次完成零件内部组织结构和三维形体的制造。指出数字化设计制造将会使人们长期以来设想的按力学、电磁学性能高效地设计制造新材料零件变为现实。在不远的将来，定能像设计和建造房屋那样，按照所需功能设计制造出理想材料零件。
0 前言
所有产品都由一个或多个零件组成，零件与制造质量直接影响产品的性能和质量。到目前为止，几乎所有的零件都由单一或均质材料组成，采用覆层、表面改性和处理使零件的表面与芯部或不同表面呈现不同的特性，是提高零件性能的有效方法，并被广泛应用。随着科学技术的发展，对产品的性能要求愈来愈高，由单一或均质材料构成的零件常常难以满足产品对零件的性能要求，而应按零件的最佳使用功能要求来设计、制造，由呈梯度变化的组织成分和一定规律分布的细结构的材料与均质材料所组合构成的新型材料--理想材料所构成，即理想材料零件，如图1所示，以满足零件的梯度功能和智能等性能的要求，包括力学性能、热学性能和电磁学性能等，从而达到节约资源的同时，提高零件性能的目的。因此，针对理想材料零件的设计制造技术的研究已势在必行。
图1 理想材料零件示意图
显然，对这种理想材料零件的制造，传统的制造方法已无能为力，材料和零件必须并行在一次制造中完成，即要通过新的数字化堆积成形制造方法--数字化并行设计制造方法（以下简称数字化设计制造）来实现。它是指将零件的外部形状信息、内部材料组织信息、制造信息和功能信息相统一，进行完全数字化设计和表述，并建立起这些信息之间关系的物理模型，实现零件和材料的并行设计和一次成形制造。
1 新型材料及理想材料零件发展的特点、趋势及设计理论
1.1 结构和功能材料复合化将成为材料发展的重要趋势
21世纪是新材料的时代。宇航、电子、原子能和海洋技术等领域的迅猛发展，必然会提出它们所必须的一批性能要求苛刻的新材料。
例如，轨道上的卫星抛物天线要遇到 -180℃～120℃的恶劣温度变化，其开口直径目前一般为2.5m～3.0m，对制造误差和轨道上的热变形要求达到型面方均根误差为0.2mm。据预测，未来几年要研制开口直径为10m的天线，对型面的方均根误差要求仍为0.2mm，对材料的线膨胀系数要求必须接近于零。
再例如，压电材料具有将机械能转变成电能的功能，由其制成的传感器已广泛应用于机器人、医疗器械和水下声纳等领域，但为进一步提高信号转换效率，应降低材料的宏观体弹性模量，或使材料具有负泊松比。
理论计算表明，如果材料的泊松比由0.3降至-1.0，体积模量将降低90%，可显著提高压电传感器的性能。但是，一般单质的金属、陶瓷、聚合物等材料很难满足既有较高单项指标又有良好综合性能的要求，存在难以克服的局限性，如单一陶瓷的脆性，有机材料的低模量，金属材料的比强度和比模量不高等。然而，由两种或两种以上组分材料组成的复合材料则可以形成一种优于原材料的特性，并具有可设计性。大量复合材料的研究和使用表明，人们不仅可设计制造出质地轻、强度高的结构复合材料，也能制备具有耐磨、耐蚀、导热或绝热、减振、隔音、吸波和抗高能粒子辐射等一系列功能复合材料。展望21世纪的新材料技术，无论是复合材料的种类和性能，还是其设计制造理论和方法都将得到飞速发展。
1.2 功能梯度材料在21世纪极具潜力
复合材料一般由基体材料（如树脂、陶瓷、金属）与增强剂（连续纤维、晶须、颗粒）复合而成，并经历了从树脂基到金属基、陶瓷基的发展。由于复合材料不可避免地存在着界面，因此，应力分布突变或应力集中很容易在界面上出现，易产生微裂纹，进而导致裂纹扩展甚至引起材料的破坏。如果将材料设计成性能参数连续或呈阶梯型变化，即材料具有梯度功能的性质，则复合材料的上述缺点将得到克服或部分克服，同时，使复合材料的不同位置和不同侧面具有不同的性能。一般，如果材料由各组分材料的细粉末混合制成，材料内部不存在宏观界面。如果在制造过程中可以控制各组分的体积比，并使其合理分布，材料就可以具有既耐高温又能缓和热应力的功能。如果仔细分析，几乎所有的生物体，如内脏、牙齿、皮肤、木材、竹子和骨骼等，都以功能梯度复合材料的方式构成。尽管目前对梯度材料的设计和制造方法的研究尚属萌芽阶段，但已在工程中得到具体应用，并解决了一些关键技术难题。比如，摩擦防护金属材料的表面梯度渗碳，隔热防护的热喷梯度涂层，微电子和光电子中的梯度半导体层，高性能的多孔压电陶瓷等。可以预见，这一独有的材料特性将使梯度材料在许多工业领域有广泛的应用前景。
1.3 均匀化理论的发展为复合材料细结构的设计提供了有效工具
一般，材料的性能取决于其小尺寸上细结构的形式，包括组分材料相的体积比，密度分布规律，细观结构特征或联结型等，通过调整细结构的形式即可实现改变材料性能的目的。上述提到的功能梯度材料实质就是近年来材料领域应用这一原理的新材料构思。它具有微观尺度上连续变化的材料组分和微结构，一般不具有确定的材料边界和局域的各向同性，并导致其宏观物理特性的梯度变化而不同于传统复合材料。
复合材料设计的核心和关键是细结构设计，旨在通过对其基本参数的选择、组合和协调，使复合材料的某些指标满足工程要求。这些基本参数包括组分材料的力学性能、物理性能、几何性质（在细观层次上的形状、分布方式等）、体积比、制备工艺条件及环境影响参数。
复合材料细结构的选定需要研究材料的宏观性质和细结构形式之间的关系，为此，国内外学者开展了许多工作，发展了多种材料预测的理论和方法。如简化的材料力学方法、自洽方法、随机微结构方法和M-T方法等。其中，1995年由Fonseca和Sigmund提出的基于均匀化理论的材料细结构形式的拓扑设计方法是近期发展的最成功方法。它以数学上严格的摄动理论为基础，采用渐进分析建立材料的细结构与宏观性质之间的关系。应用这种方法，理论上可以设计出具有特殊性能的梯度材料，确定出其局部细结构，唯一限制是热力学第二定律的熵条件，即材料性能参数张量阵必须是正定的条件。目前，应用该理论已设计出具有平面细结构的低膨胀系数材料、负泊松比材料、高性能压电陶瓷等。由于受制造技术的限制，尚未开展设计制造具有更复杂性能的三维梯度材料的研究工作。
2 数字化设计制造是现代科学技术发展的必然
2.1 制造科学正迈向全面数字化
21世纪是数字化和信息化时代。信息化的基础是数字化，数字化技术在机械设计与制造领域的应用，形成了已被广泛使用的计算机辅助设计技术和计算机辅助制造技术，如CAD、CAE、Virtualdesign、FMS、IMS、CAPP、CAM、CAT、数字化仿形测量与加工技术、快速原型制造技术（RP＆M）等。
30多年来，产品设计建模技术经历了从线框模型、曲面模型和实体模型的几何建模技术到特征造型技术的发展，已将特征作为构成产品信息的结构单元，并可分为设计特征、制造特征、性能特征等，向着产品信息的全面数字化迈出了可喜的一步。然而，纵观现代的各种商品化CAD软件，虽然采用了特征造型技术，但其构造特征仅仅限于形状特征，造型数据仍无法描述产品的制造、性能等信息。迄今为止，计算机辅助设计与制造技术还没有突破传统CAD设计系统的局限，只能利用数字化方法描述零件的表面信息，还难以描述零件的内部材料信息（如非均匀介质功能梯度材料），仅限于均质材料零件的表述；即便是今天的RP＆M技术，也只能将零件看作均质材料，并加以分层处理，每一层仍按均匀介质表述和成形，而考虑到材料的性能和组织结构的设计建模由Kumar首先提出，并进行了初步的探讨研究。
2.2 数字化并行设计制造技术是理想材料零件的必然选择
纵观材料制备和零件制造技术研究的历史和未来的发展，可将制造技术分为三个层次：传统制造技术、数字化并行设计制造技术和生物制造技术。
传统制造技术以材料制备和零件制造相分离为主要特点，一般先制造不同类型的原材料，再根据零件的性能要求进行选择，然后通过材料去除或塑性成形方法获得所需的零件，属于在外界强制作用下的"它成形"。这一制造技术是现代工业的基础，近些年来发展迅速，不但产生了许多新的加工工艺，而且自动化程度也大大提高，但仍只适用于均质材料零件的制造，资源利用率较低。
仿生制造技术是类似生物生长和发育的一种制造技术。生物的生长成形是一种由内在基因控制下，通过细胞自组织作用的"自成形"，由其产生的生物结构的精巧、复杂及其恰当性远非任何人造产品所能比拟，是真正的绿色制造工艺。仿生制造技术通过模仿生命体生长和发育成形的自组织的机制和模式，实现由内在信息模型控制下的零件自生长成形，可制造出任意复杂或具有生物特性的零件，属于一种绿色工艺，是最高层次的制造技术，也是制造技术所追求的理想目标；破译基因的信息传递密码，探索其"自成形"原理和机制，建立数学模型，进行计算机仿真，进行生物发育的形状和材质控制的试验，�"自成形"技术应用在零件制造中的成形技术，是一个十分漫长而遥远的过程。
数字化的并行设计制造技术以材料与零件的一体化、集成化设计制造为主要特点，可根据零件功能要求进行零件外部几何拓扑形状和内部材料组织细结构的并行设计，并采用增材制造和去材制造相组合的制造技术，按数字化设计的信息，一次完成零件内部组织结构和三维形体的制造。它通过数字化设计使零件的材料信息和几何、功能信息数字化，制造过程中根据这些信息控制数字化单元材料组织的组合与融合，实现材料与零件的一体化制造。它利用外界信息控制装置，控制数字化单元材料间的结合位置、方式和条件，实现成形制造，属�"它成形"和"自成形"之间的一种制造方法。数字化设计制造技术以新材料科学、计算物理学、计算力学、均匀化理论和快速成形技术等为基础，充分融合材料去除加工和增长加工的优点，适合于理想材料零件的设计制造，并且资源利用率较高，其研究工作方兴未艾。
2.3 增材制造理念使新型材料零件的数字化制造成为可能
快速成形技术（RP＆M）是20世纪80年代末迅速发展起来的一种崭新的制造技术，它采用材料逐渐增长的原理--增材制造理念，突破了传统的去材法和变形法加工的许多限制，不需要工具或模具，而能迅速制造出任意复杂形状又具有一定功能的三维实体模型或零件，虽然这一技术不是为研制理想材料零件而开发的，但客观上已提供了有效的制造手段。自RP＆M技术出现以来，美、日、欧洲等工业发达国家已投入大量的人力和资金进行研究开发，使基于不同原理的RP＆M技术得到迅速发展。其中比较成熟并已商品化的RP＆M成形技术有：立体光造型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）、熔融沉积制造（FDM）和三维印刷（3D-P）等。有关CAD模型输出数据的倾斜定向、分层切片、工具路径规划等前处理的算法也得到深入研究，但基本上基于表面模型STL文件，尚不能描述非均质材料零件的内部结构。
随着对RP＆M技术研究的深入，特别是一些新的快速成形工艺的出现，由快速成形技术生成陶瓷零件、金属零件及微型零件的研究也取得重大进展。例如，美国Rugers大学采用分层制造方法制造了内部呈蜂窝状结构的压电陶瓷；MIT研究用偏转电场控制金属液微滴直接成形生成金属零件取得成功；Stanford的RP实验室开发出形状沉积制造工艺，将金属粉末熔化沉积，并用铣削方法去除冗余部分，经反复沉积、去除、逐层堆积成形，目前已制成有复杂内通道且精度较高的不锈钢叶片零件；美国Redensselaer的研究人员曾用激光诱发气相沉积方法快速生成微型三维实体零件，在一台专用试验设备上制成直径10μm的棒状实体，据称这种方法能成形碳、硅、钨和铝等材料。这些制造技术，虽然还不成熟，尚需进一步完善和发展，但已为开发新型材料零件制造技术奠定了基础。
3 理想材料零件数字化设计制造方法、理论、技术及其系统的构成
数字化设计制造要求将零件的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征相统一，进行数字化表述。这一方面在设计过程中，应根据功能要求进行零件的外部几何拓扑形状和内部材料组织细结构的一体化设计；另一方面在制造过程中，按数字化设计的信息，应一次完成零件内部组织结构和三维形体的统一制造。当然，对于均质材料的零件，由于不涉及其材料组织结构的改变，设计仅需按照零件的功能要求选择统一的材料，以零件的外形信息表述为主，这也就是通常概念上的CAD技术。归纳起来，理想材料零件数字化设计制造方法、理论与技术的主要研究内容，包括如下几个方面。
3.1 材料与零件数字化制造融合的理论与方法
3.1.1 理想材料零件的数字化设计理论与方法
根据不同材料性能要求，如弹性模量、泊松比、热膨胀系数和电磁性能等，用基于均匀化理论的材料细结构形式多输入、输出的拓扑设计方法，研究设计三维功能梯度材料的可能细结构形式。并应用摄动理论，建立材料细结构形式和材料宏观性能之间关系的数学模型。
3.1.2 理想材料零件的数字化表征及CAD建模方法
此处的CAD模型必须包含各向异性零件的几何、拓扑、材料细结构形式分布和制备条件的全部信息。为了与传统的CAD模型相兼容，可研究建立基于微分流形思想的新型材料零件的CAD模型，以传统的表示零件几何与拓扑关系的立体模型作为底空间，材料细结构形式参数等作为丛空间，对于一个具体的零件材料参数将是底空间的函数，成为丛空间的一个截面。同时，结合材料的性能，研究底空间的布尔运算操作到材料参数丛空间的影射关系的算法。
3.1.3 理想材料零件数字化设计（制造）的建模及仿真优化
对零件材料性能及材料和零件设计（制造）过程的建模，实现此类材料零件性能及设计制造过程的拟实仿真优化，并根据零件的力学、热学和电磁学等功能要求，进行零件的外部几何拓扑形状和内部材料组织与细结构的一体化（融合）设计。
3.2 材料与零件的数字化成形制造的一体化和集成化技术基础
3.2.1 理想材料零件直接成形的数字化轨迹规划与CAD数据的前处理方法
确定理想材料零件数字化堆积制造时的定向、分层及工具轨迹规划。与一般材料零件的前处理不同，需要考虑CAD模型中的材料细结构分布及制备工艺条件，尤其是轨迹规划时必须考虑如何分层及每一层内所包含的不同材料相。研究建立零件定向、分层及工具轨迹规划的多目标函数准则及优化算法。
3.2.2 复相材料零件直接成形过程中材料融合堆积过程的建模和性能仿真
材料与零件一次制造成形过程中材料组织的界面行为及建模；建立数字化成形制造中的材料融合堆积过程的数学模型，优化材料与零件一次直接成形的工艺条件；建立不同组织材料间的结合准则，实现数字化材料融合堆积成形制造过程的仿真优化。
3.3 材料与零件的数字化一次直接成形工艺方法及技术
结合传统的去除材料制造技术、覆层技术以及快速成形增长材料制造的理念与技术，研究多元材料组分的复合成形的结合方法与数字化成形工艺技术，针对诸如各向同性及各向异性材料等材料和零件性能的要求，以及不同类材料性能之间的特点，形成系列的理想材料零件的数字化制造方法与技术，包括如下几个方面。
3.3.1 考虑材料细结构分布条件
三维复杂、均质材料零件的数字化直接成形工艺方法及技术。
3.3.2 非均质及功能梯度材料零件的数字化直接成形工艺方法及技术
需要考虑材料细结构分布与多元材料组分的复合成形的工艺方法与技术。不同类的材料，需要不同的成形工艺方法。
3.3.3 数字化直接成形零件的后处理工艺技术基础
针对不同结构特点和材料功能要求特点，研究形成对应的后处理工艺方法和技术，包括成形后零件的溶渗、改性、表面处理及必要的修磨和研磨抛光处理工艺技术，实现理想材料、最佳性能和理想几何精度零件的三维快速成形和无模制造。
3.4 理想材料零件数字化设计制造系统的构成
根据理想材料零件设计制造的特点，其数字化设计制造系统主要由数字化设计子系统、数字化去除加工子系统和材料与零件的数字化直接成形子系统组成，三部分之间通过网络实现互连和信息间的交互传递，如图2所示。
数字化设计子系统由计算机系统和相应的设计软件构成，主要完成产品与零件的性能、结构和几何参数的优化和设计，并可实现零件和产品的仿真和虚拟制造。数字化去除加工子系统主要由各种类型的数控加工机床构成，可对原材料和零件进行数字化去除加工。材料与零件的数字化直接成形子系统主要由新型数字化堆积成形设备构成，它可以根据材料构成和工件要求，在相应的数字化堆积成形设备上完成一元或多元材料和零件的直接成形制造。
图2 理想材料零件的数字化设计制造系统
4 结论
综上所述，无论是材料细结构设计计算方面，还是制造技术方面，都为探索新型材料零件的数字化设计制造理论和方法奠定了基础。数字化设计制造技术是资源节约型绿色制造技术，不仅可实现材料与零件的一体化、集成化设计制造，生产出高性能的理想材料零件，而且，无论是材料和零件的设计计算方面，还是零件的制造技术方面，当代科学技术都为之奠定了坚实的基础。展望21世纪，人们长期以来设想的按力学、电磁学性能高效地设计制造新材料零件可成为现实，在不远的将来定能像设计和建造房屋那样，按照所需功能制造理想材料零件。
郭东明：大连理工大学副校长、教授、博士生导师，中国机械工程学会常务理事。主要研究方向为特种及精密加工、几何量精密测量和快速制造技术等。
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