《Proceedings of the Design Society》：A conceptual tool to support the ecodesign of additively manufactured products
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增材制造（AM）突破了传统制造（CM）的约束，赋予了新的设计自由度。然而，设计人员仍依赖经验，且面临AM高能耗与废弃物效益波动的问题。本研究提出了一种将生态设计融入AM工作流的方法，通过一种工具比较AM与CM的生命周期指标。该工具可预判设计与可持续性挑战，在初
增材制造（AM）突破了传统制造（CM）的约束，赋予了新的设计自由度。然而，设计人员仍依赖经验，且面临AM高能耗与废弃物效益波动的问题。本研究提出了一种将生态设计融入AM工作流的方法，通过一种工具比较AM与CM的生命周期指标。该工具可预判设计与可持续性挑战，在初始阶段即提供环境洞见。这一点通过两个应用场景予以说明：新产品设计与再设计任务。未来工作将涉及工具开发及基于工业案例研究的验证。
本研究旨在提出一种概念性工具，以支持增材制造（AM）产品的生态设计，解决当前AM设计流程中设计人员过度依赖经验、缺乏环境意识以及现有工具分散化等问题。
一、研究背景与问题提出
增材制造作为一种快速发展的制造技术，通过逐层堆积的方式生产零件，摆脱了铸造、铣削等传统制造（CM）技术对几何形状的诸多限制。然而，当前AM设计仍面临显著挑战。首先，设计面向增材制造（DfAM）指南主要基于经验证据，设计决策很大程度上依赖设计人员的专业知识（Uz Zaman et al., 2018），而AM技术的快速演进使得这种经验驱动模式难以为继。其次，尽管计算工具如拓扑优化（TO）和点阵轻量化结构（LS）设计软件已被广泛应用，但这些工具需要消耗大量的时间与计算资源（Priarone et al., 2023）。更为关键的是，从环境视角审视，AM技术具有极高的能源需求，有时甚至超过CM工艺（Ingarao et al., 2018）；且AM的废弃物减排效益因技术类型而异，部分技术的废弃物产生量甚至与CM相当或更高（Faludi et al., 2015; London et al., 2020）。此外，现有DfAM工具和框架大多未将环境影响纳入产品整个生命周期的考量（Favi et al., 2025），设计人员对环境影响的认知不足常导致生产策略选择的误判。上述问题凸显了开发一种整合性工具的必要性，该工具应能在设计早期阶段即提供AM与CM的生命周期比较，支持兼顾环境、经济和技术维度的知情决策。
二、现有设计流程分析
研究人员通过对四家AM企业的技术部门与研发部门进行调研访谈，结合现有文献，梳理了典型的AM设计流程。该流程包含三个核心阶段：计算机辅助设计（CAD）模型设计、依据DfAM指南的模型优化，以及打印工艺设置。此外，环境与经济评估可作为附加环节。具体而言，设计需求阶段确定生产目标、环境经济驱动因素及技术规格，并初步决定采用AM或CM；CAD建模阶段定义初始几何形状；优化阶段应用DfAM指南确定优化策略（如TO、LS等）及目标，此阶段高度依赖工程师经验，通常使用专用优化软件；随后进行结构分析，通过计算机辅助工程（CAE）工具验证组件承载能力，若不满足要求则迭代调整；通过验证后进行打印工艺分析，使用Ansys、Siemens NX或Netfabb等软件评估零件可制造性，该阶段在实际中常因计算资源需求高而采用物理试打印替代；最终通过SimaPro等专用工具进行环境与经济评估。研究人员指出，该流程的显著缺陷在于各阶段工具分散、数据流转不畅，且环境经济评估滞后于设计决策，难以在设计早期发挥指导作用。
三、生态设计工具的架构与集成
研究人员提出的概念性工具包含四个核心模块：知识库系统（KBS）、CAD评估模块、优化模块和产品生命周期评估模块。
KBS作为工具的根基，以类本体数据库形式存储、检索和持续丰富DfAM及生态设计指南，提供定性数据（如DfAM几何合规性）和定量数据（支持优化模块的评估比较），并记录评估结果以支持自学习。CAD评估模块通过特征识别算法提取CAD关键信息，验证DfAM指南合规性，并利用机器学习（ML）作为推荐系统提出设计替代方案。优化模块作为用户与KBS数据库的中介，基于CAD评估模块的数据比较不同优化策略与目标，平衡环境、经济和结构性能指标，并可探索既往类似产品的优化结果。产品生命周期评估模块包含四个子模块：打印评估子模块分析CAD几何，评估打印可行性、支撑体积、构建方向、打印时间及质量；环境评估子模块采用专为AM技术设计的生命周期模型，量化全生命周期环境影响，而非仅关注制造阶段；经济评估子模块基于AM专属成本评估模型，评估全生命周期经济指标如盈亏平衡点（Break Even Point）和投资回报率（Return on Investments）；生产力评估子模块关注上市时间（Time to Market）和生产可扩展性等管理绩效指标。除打印子模块外，其余三个子模块均执行AM与CM技术的比较分析，采用多准则决策算法基于技术性和可持续性准则（如全球增温潜势）进行定量排序，各准则权重由用户根据具体需求设定。
四、生态设计工作流与应用场景
该工具支持从设计需求阶段即介入的更新工作流。在设计需求阶段，工具提供环境经济可持续性的初步评估，指导AM技术（金属基或聚合物基）的选择，并通过多准则算法确定AM是否优于CM。CAD建模阶段，工具评估组件几何，提出增强DfAM的设计修改建议，并生成多设计替代方案进行环境经济预评估。优化阶段，工具推荐最适合的优化策略（如TO或LS）、目标和约束，比较结构需求与既往成功案例，通过对比优化前后几何的可持续性指标量化改进效果。打印工艺分析阶段，工具评估打印可行性、打印时间和支撑体积，比较不同AM技术（如SLM、DED与铸造，或FDM、立体光刻与注塑成型）及打印设置方案，通过多准则算法提供排序。最终的环境经济评估阶段，工具在同一界面内提供全生命周期可持续性分析，确保DfAM效益的充分实现。
研究人员 presented两个应用场景以阐明工具的适用性。场景一为AM新产品开发：用户输入产品应用域、目标生产力和结构需求等规格后，KBS模块推荐适宜技术、材料和设计指南，进行AM与CM的初步比较；CAD建模后工具生成多设计替代方案并预评估，逐步缩小材料和技术范围；优化阶段结合KBS建议策略，最终通过产品生命周期评估确定最优配置。场景二为CM产品向AM的再设计：用户输入原始CAD和规格后，四个模块协同工作——CAD和优化模块识别必要信息以重塑几何、有效利用AM能力，KBS和生命周期模块生成评估设计替代方案，从性能改进、材料效率和可持续性成果方面论证再设计的合理性。
五、讨论与意义
该工具的预期效益体现在多个维度。其一，通过在设计早期提供关键信息，减少产品开发所需的迭代次数，加速DfAM指南的应用，使设计人员能更高效地开发功能件。其二，增强AM设计流程的灵活性：工具以统一软件程序形式整合，最小化不同软件间的信息传递需求，支持工程师和管理者等多类专业人员使用，促进并行工程和跨学科协作；各模块也可独立使用以进行针对性即时评估。其三，KBS的形式化生态设计指南确保AM应用的一致性和适当性，结合环境评估模块的生命周期视角，实现AM与CM的全面比较，超越生产阶段延伸至上下游生命周期阶段。其四，数据库的可扩展性确保随新材料、优化技术和AM技术进步而持续更新。
研究人员同时坦陈工具的局限性与挑战：模块间数据格式和类型的差异可能带来数据整合困难；AM打印机（尤其是工业级设备）的封闭性导致技术数据获取受限；AM原材料（如气雾化粉末）的加工过程在现有环境数据库中表征不足；工具应用可能受限于生命周期模型和KBS所构建的特定应用领域；KBS中的生态设计指南精度可能尚不足以完全支撑CAD评估模块的机器学习算法，需持续完善。
六、研究结论
本研究提出了一种专用AM工具的概念，该工具能够在AM设计工作流中实现新型生态设计导向方法。通过在设计早期阶段提供DfAM和生态设计方法的洞见，该工具可帮助预判后续设计阶段可能出现的设计和可持续性挑战，而后期修改往往在经济和时间成本上更为高昂。此外，其预期输入参数旨在促进并行工程方法，使不同利益相关方能够便捷地参与AM设计过程。研究人员指出，解决当前局限性对于确保该工具在不同工业场景中的稳健性和适用性至关重要。未来工作将聚焦于各模块的初始开发与集成，确保工具架构内数据流的顺畅交互；后续的工业案例研究验证将评估该工具在实际产品开发场景中的有效性、可用性和可扩展性。该论文发表于《Proceedings of the Design Society》。
