一、引言
1.1 制造科学正迈向全面数字化
现代CAD技术已经使波音B--777飞机的设计制造不使用一张图纸，全部设计、预装配、模拟测试工作在计算机上展开。
迄今为止，CAD设计系统只能做到零件表面信息的数字化描述，还难以描述零件内部材料信息(如非均匀介质功能梯度材料)。
RPM的分层亦限于均质，缺乏性能和组织信息。
1.2 时代需要材料与零件的一体化、集成化设计制造技术
通常产品都是由一个或多个零件组成，零件的与制造质量直接影响着产品的性能和质量。
截止目前为止，几乎所有的零件都是由单一或均质材料组成；
科学技术的进步，要求产品零件具有更高的综合机械性能。
一般单质材料——很难满足既具有高的单项指标又具有良好的综合性能的要求(如陶瓷的脆性、有机材料的低模量、金属材料的比强度不高等)。
功能复合材料——探求各组分材料能取长补短互相协同，并具有可设计性的理想功能材料零件设计制造方法，就成为人们研究的课题之一。
二、理想材料零件(IFMC)概述
2.1 基本含义
IFMC——Ideal Functional Material Components
按照零件的最佳使用功能要求来设计制造、呈梯度变化的组织成分和一定规律分布细结构的一类新型材料零件——理想(功能)材料零件。
2.2 理想材料零件图示
(图略)
2.3 对设计制造理论与技术的新挑战
传统的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，再根据零件性能要求进行选择，然后通过制造方法获得所需的零件。只适用于均质材料零件的制造。
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整合起来，进行完全的数字化表述，实现零件和材料的并行设计和制造，形成新的数字化设计制造技术体系。
2.4 理想材料的数字化设计制造
理想材料数字化设计制造是指将零件的材料性能和零件的功能统一起来，并完全进行数字化处理；在设计过程中，进行零件材料组织结构、使用功能和几何外形的并行设计；在加工制造过程中，按照数字化设计的信息，完成零件内部材料组织结构和三维集合形体的并行制造。
三、均匀化理论及细观结构设计
材料的性能一般取决于其小尺寸上的细结构的形式，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。
(图略)
四、增材哲理下的数字化制造
快速成型技术(RP&M)——一种典型的增材制造哲理下的数字化制造技术，被认为是近二十年来制造技术的领域的一次重大突破。
比较成熟的RP&M成型技术有：立体光造型SL、选择性激光烧结SLS、分层实体制造LOM、熔融沉积制造FDM和三维打印3D-P等。
(图略)
将RP&M的理念与技术和传统的去除材料制造技术及覆层技术相结合，利用多元材料组分的复合成型的方法和数字化成型工艺技术，使得理想材料、最佳性能与理想几何精度的零件的三维快速成型和无模制造成为可能。
(图略)
五、IFMC数字化设计制造研究内容
将零件的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，进行数字化表述；
在设计过程中，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(融合)设计；
在制造过程中，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统一制造。
5.1 数字化设计制造融合的理论和方法
建立材料细微结构形式和零件宏观性能之间关系的数学模型；
非均质(功能梯度) 、各向异性材料零件的CAD模型表示理论与方法；
根据零件的力学、热学、电磁学等功能要求， 进行零件外部几何拓扑形状和内部材料组织与细结构一体化(融合)设计技术。
5.2 材料与零件的数字化设计制造的一体化和集成化技术基础研究
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;
复相材料零件直接成形过程中的界面行为及材料融合堆积过程的建模和性能仿真;
理想材料(非均质、复层复相及功能梯度材料)零件的数字化堆积成形制造理论、方法与技术;
零件的后处理工艺技术等。
六、IFMC数字化设计制造技术应用
6.1高性能金属零件激光快速成形技术
利用RPM基本原理，通过金属材料的激光熔化-快速凝固逐层沉积，直接成形出零件完全致密、组织细小、成分均匀、性能优异的快速凝固高性能近净成形零件，是一种将“材料设计、高性能材料制备与复杂零件快速成形制造”有机融为一体的“无模”、“非接触”、“无污染”的IFMC数字化设计制造新技术。
1995～1998年：在美国海军研究办公室(ONR)及国防先进研究计划署(DARPA) Mantech、Dual Use Science and Technology等计划的资助下，开展航空钛合金结构件激光快速成形技术研究。
(图略)
6.2 激光快速成形TiAl/Ti梯度叶片零件
(图略)
6.3 精密喷射成型(Spray Forming) 技术
(图略)
基于仿生制造技术，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，制造出任意复杂或具有生物特性的零件，将是制造技术所追求的理想目标。
七、本课题组的相关研究工作
从1997年起，大连理工大学郭东明领导的科研创新团队，在多个国家自然科学基金重大项目、面上项目(59775065，59935110，59975015，50275018)、教育部博士点学科基金(1999014102)等支持下，对理想材料零件的数字化设计和制造以及相关的拓扑优化、快速原型等内容展开了若干基础理论研究。
7.1 微、细结构拓扑优化研究
在摄动理论、结构拓扑优化的均匀化方法、广义优化技术、算子半群理论及正交小波和半正交样条小波等多尺度分析方法等理论方法基础上，构造小型和微型柔性机械结构优化设计的数学模型和计算方法；
解决了目前拓扑优化结果普遍存在的“棋盘格式”和“计算网格的敏感性”等难题，研制了微夹钳核微动工作台，发展出结构和材料一体化并行设计制造的理论和技术。
本项目的到了1997年国家然科学基金的资助，项目编号59775065。
(图略)
7.2 理想材料零件数字化及处理研究
提出了由性能设计和材料设计两部分构成的理想材料零件设计框架；
给出了几何底空间单纯剖分基础上，使用周期性功能细结构统一表述均质材料、复合材料、功能梯度材料和功能细结构的理想材料零件信息数字化方案；
开发了数字化设计制造中的理想材料零件CAD数据交换格式和自适应切片算法。
本项目得到了国家自然科学基金(59975015和50275018)，以及教育部博士点基金(1999014102)的资助。
7.3 理想材料零件的CAD模型研究
(图略)
7.4 理想材料零件几何信息的数字
(图略)
7.5 理想材料零件材料信息的数字化
周期性功能细结构(periodic functional meso-structure, PMS)材料表述方案模型。
(图略)
7.6 面向快速制造的特种加工研究
面向实际应用，在探索高效、高精度复合和组合加工工艺技术，形成面向快速制造的特种加工工艺体系方面亦开展了一些研究工作。
本项目为国家自然科学基金1999年资助的重点项目59935110。
7.7 面向性能的复杂曲面零件数字化制造
国家973计划项目：“数字化制造基础研究”——高性能复杂曲面数字化精密加工新原理和新方法。
(图略)
未来展望
展望21世纪，只要人们把先进的制造技术、材料科学方法和计算力学、物理学理论有机结合起来，将艰深的理论与现代制造技术融为一体，定能发展出这一理想材料零件科学化的设计制造技术，使人们长期以来设想的按力学、电磁学性能来高效地设计制造新材料零件变为现实，在不远的将来定能象设计和建造房屋那样，按照所需功能制造新材料零件。
