采访：拉夫堡大学的 Ian Campbell 教授

伊恩·坎贝尔教授是拉夫堡大学的教授，该大学正在开拓增材制造研究设计领域。 Campbell 教授拥有广泛的设计工程背景，已发表超过 40 篇学术期刊文章，是 Rapid Prototyping Journal 的编辑，并自 2014 年起担任 Wohlers Associates 的副顾问。

我们很高兴能够与 Campbell 教授坐下来讨论设计对增材制造的重要性、自动化在 AM 中的作用以及大规模定制和混合制造如何改变行业。

问：您最初是如何参与 AM 的？

1993 年我在华威大学攻读硕士学位，当时我第一次意识到立体光刻，但直到那年晚些时候我搬到诺丁汉大学时，我才接触到了大学的立体光刻机，并开始了我的博士研究，它侧重于设计与我们当时所说的快速原型设计之间的联系。

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我当时的前提是快速原型制作将成为一种生产过程——这在 1990 年代是人们无法真正想象的。但我做到了，并认为如果快速原型设计要变成生产过程，我们就必须学习如何为其设计。这就是我的博士学位所关注的。

问：具有讽刺意味的是，今天的增材制造设计是一个很大的话题。我们在哪里，需要取得哪些进展？

我认为目前这有点随意。某些公司当然拥有丰富的专业知识，一些设计师真正了解增材制造在轻量化、复杂内部结构或使用拓扑优化等方面的可能性——航空航天公司尤其如此。

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但话虽如此，总的来说，我认为我们的设计社区存在一些知识差距，很多设计师可能对增材制造的了解不够深入，或者没有机会思考它如何改变他们的设计方式。

随着新一代设计师从大学毕业并接受这种教育，这种情况可能会发生变化。但是对于已经实践了一段时间的设计师来说，除非他们不得不面对面使用增材制造作为制造过程，否则他们可能没有考虑过它能给他们带来的好处。所以我认为肯定有机会推动这一进程，这是我们通过推出的新硕士课程努力实现的目标之一。

问：您认为未来五年的 AM 设计在哪里？

首先，我相信我们会看到更多人认识到其作为生产过程的潜力，因此必须学习如何为其设计，尤其是新一代设计师，其中许多人已经意识到增材制造。 <块引用>

我期待发生的另一件事是更大的设计自动化和更专业的工具的出现，以帮助设计师做一些充分利用 AM 所需的聪明事情。现在其中一些工具已经存在，例如拓扑优化。而且我知道还有其他软件旨在自动开发内部晶格结构，这样就不需要有人坐下来自己在 CAD 上创建这些结构。增材制造在创建复杂的几何形状方面可以做一些令人难以置信的事情，但是如果这一切都是使用传统工具完成的，那么期望一个人甚至一个团队坐下来创建这些几何形状会造成真正的瓶颈。

归根结底，我认为必须有更多可用的工具来自动化我们需要遵循的一些流程。

问：自动化是目前 AM 的一个主要趋势。您如何看待 AM 的自动化发展？

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目前，有相当多的流程在 AM 中集中使用了人工。自动化可以在很多方面提供帮助——它可以像使用自动化软件决定零件在构建平台上的哪个位置一样简单，或者自动计算构建时间。我们甚至可以根据您使用的方向自动模拟将创建的表面光洁度。

我还可以想象使用自动化来选择正确的参数来运行机器，而不是对不同的参数进行反复试验。在这方面，增材制造系统内将有更多的反馈回路，这也将帮助我们在构建过程中提高质量。

就设计而言，我最近看到了一些有趣的软件，除了将要施加的力外，您还可以将设计的难点（您的组件必须接触其他组件的点）输入到您的 CAD 系统中。施加在您的组件上，以便几何图形自动增长。所以它不像拓扑优化那样会带走材料——尽管这本身就很有趣——这实际上涉及使用自动化软件来增加零件。

总的来说，我相信整个价值链都有很大的进一步自动化空间，从我们知道我们的产品会是什么样子到将成品零件从机器上取下来。

问：您目前正在领导一个关于汽车行业定制化的研究项目。你能告诉我更多吗？

该项目的目的是与我们在罗马尼亚的合作伙伴合作，确定许多研究领域，其中之一是设计和使用由许多汽车零部件供应商使用的定制零件。

我们进行了一些试点研究，我们认为设计和定制可以帮助汽车行业，无论是在功能性更强的部件方面，例如针对不同驾驶风格定制悬架，还是在更美观的方面，您可以定制事物比如变速杆上的把手、方向盘的形状，甚至是仪表板上使用的一些控制方面。这些只是我们正在关注的部分领域。

问：您希望从试点研究中获得什么？

我们希望从这些试点研究中看到——我们自己已经开始了这方面的一些开发工作——是大规模定制工具包，您可以在其中采用完全标准的产品并调整一些参数以将其转换为定制产品。我们不是唯一这样做的人——一个例子是主要针对珠宝的神经系统，你可以采用完全标准的设计，使用不同的参数来改变形状，然后 3D 打印你自己的版本。

我们一直在研究人们喜欢使用的不同类型的界面，他们在改变设计时可以处理的参数数量，以及当我们允许某人做一些事情时可以为产品增加多少价值为自己定制。

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最终，我们希望能够找到设计大规模定制工具包的最佳方式。这将从设计师做一些工作来创建标准甚至未完成的设计开始。但随后我们设想客户会自己完成设计。因此，它成为一种共同创造的设计形式，其中既有来自制造商或设计公司的意见，也有来自最终用户的意见。

问：您是否认为这种“共同创造”形式在未来的 3D 打印中会变得更加普遍？

它已经在一定程度上发生了。例如，Mini 已经允许您选择定制产品。但就我们正在探索的实际改变产品的形状而言，这方面并没有发生太多变化，尤其是功能性产品。

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在汽车等行业，您必须确保，如果您确实允许客户更改形状，那么产品仍然安全、实用且生产经济。在公司准备允许用户定制他们的产品之前，在这方面需要做更多的研究——在某些情况下，某些公司可能永远不会允许用户定制他们的设计。但我们已经与其他准备允许最终用户引入一定程度变化的公司进行了交谈。

如果我以吹风机为例：定制可能就像使吹风机的手柄适合特定大小的手一样简单。您甚至可以打造一款吹风机，以某种方式将您的一些个人特征嵌入产品中。这是我们正在探索的另一个研究领域——我们认为，如果人们参与这种联合设计，他们可能会对产品产生情感依恋。这意味着他们可能准备为它支付更多的钱，并坚持更长时间，所以我们最终不会把这么多东西扔进垃圾填埋场。这是我们在拉夫堡研究的另一个方面——可持续设计。

问：拉夫堡大学正在开创所谓的“混合和多系统 AM”。你能解释一下这是什么意思吗？

当我们谈论混合动力时，我们指的是同一台机器内增材制造和减材制造的集成组合。在拉夫堡，我们同时关注金属系统和聚合物系统。

问：这种混合制造方法如何适用于金属系统？

对于金属系统，Matsuura 和 DMG Mori 等公司已经提供了一些机器— 他们创造了机器，可以通过一种沉积过程添加一些材料，然后进行工具更换。因此，您无需使用沉积头，而是使用 CNC 铣削工具去除一些材料，以便为您提供更好的表面光洁度或提高某些特征的精度。完成后，您可以进行另一次工具更换并返回到增材过程并添加一些材料以覆盖您刚刚工作的区域。您可以随时在两者之间切换。

这意味着您可以获得增材制造的所有几何自由度，但如果您确实需要更高的精度或更好的表面光洁度（工程部件通常就是这种情况），这不仅可以在外观上实现但即使是在您一次性完成整个项目时也无法进入的内部表面。

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我们认为这将为一站式生产开辟新的可能性，您拥有一台机器，可以下载 CAD 零件，您最终可以从该机器上获得成品零件，而无需进一步加工。这种类型的金属混合制造对于高度工程化的组件非常有用，因为它可以让您减少需要放入系统的组件数量，从而降低组装成本并减少所需的材料量。这在航空航天应用中尤为重要，因为即使仅节省几公斤也可以大大减少您的燃料费用。

问：那么聚合物的混合制造工艺是否有很大不同？

该过程实际上非常相似，因为它将使用沉积然后进行加工。不同之处在于，对于聚合物，一切都发生在低得多的温度下。我们的目标是为 AM 聚合物零件带来更大的几何自由度和精度，同时降低成本。因此，虽然金属方面的驱动因素更多是高端工程产品，但在聚合物方面，更多的是日常使用的产品。

问：拉夫堡大学还有哪些其他研究项目？

好吧，我们也在研究复合材料的一些增材制造。我们的目标是控制复合材料部件内纤维的方向性，使它们更坚固、更坚硬、更轻或具有其他工程优势。这是最近才开始的，涉及许多国际合作伙伴。

问：你能告诉我们更多关于拉夫堡大学新的硕士课程的信息吗？

它被称为增材制造设计，为期一年，分三个学期。我们带学生了解增材制造是什么，并了解它的一些独特之处和好处。

有一个小项目着眼于我们如何为增材制造重新设计，然后是一个涉及从头开始设计产品并重新设计的大项目。我们还研究了一些适合增材制造的更高级别的计算机辅助设计工具，例如拓扑优化以及一些可用的不同类型的建模，例如体素建模 - 所以看看在 CAD 中工作的不同方式。

问：最后，您最感兴趣的增材制造的下一个趋​​势是什么？

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真正令人兴奋的一件事是机器变得越来越大，这意味着应用范围正在扩大。有一次，当您想到增材制造时，您会想到适合半米立方体的零件，但现在这种情况正在迅速改变。我们可以在增材制造的建筑应用中看到这一点，在那里我们可以开始建造房屋之类的东西。但更常见的是，您可以开始创建一些有趣的结构以进入建筑物。我们也可以在航空航天领域看到这种影响，在这些大型机器上制造大型飞机部件。

另一个已经存在了一段时间的趋势是创建超材料的想法，您可以通过玩几何使您的材料表现不同。例如，您可以创建所谓的拉胀结构，其中通常当我们推动一个零件并在一个方向上挤压它时，它会在其他方向上膨胀，例如，当您在垂直方向上挤压一个球时，它会在水平方向。但是使用增材制造和一些非常聪明的设计，可以创建这样的结构，如果你在垂直方向挤压它们，它们也会在水平方向收缩。这是对复杂几何的非常巧妙的使用。

人们也在关注其他方面，比如制造对热梯度有不同反应的部件。例如，通过 4D 打印，您可能会创建一个可以在加热后改变其形状或膨胀的零件。因此，如果你要创造一些东西以球的形式发送到太空，一旦太阳的热量击中它，理论上它可以打开某种天线。因此，能够让材料因您在零件中构建的复杂几何体而表现出不同的行为真的很令人兴奋——这意味着我们不仅要处理一块材料，还要处理智能材料。

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