使用拓扑分析修改3D打印-增材制造零件设计

3D 打印-增材制造 (AM) 已被用于构建具有多种材料和功能的复杂物体。AM-增材制造为复杂几何特征的创新结构设计的制造提供了巨大的机会。根据3D科学谷的市场观察，由于传统的设计方法（如参数化结构优化）在设计具有不规则、多尺度几何特征的 3D 结构方面的能力有限，通常难以快速的设计非常适合3D打印的那些复杂结构。

为解决此问题，市场上已使用拓扑优化 (TO)和创成式设计软件来实现复杂的几何结构设计。其中，拓扑优化 (TO) 是一种数学方法，针对给定的一组载荷、边界条件和约束，在给定的设计空间内优化材料布局，以最大限度地提高系统的性能，TO可以通过将材料分配到最佳位置来促进重量减轻。本期谷.专栏，结合福特申请的《Modifying additively manufactured part designs using topological analyses》专利，来一起了解如何快速的将固体材料、空隙和晶格单元分配到最佳位置。

▲福特专利

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点阵结构材料由于在热、电和光学性能等方面具有的优势，以及作为潜在的轻量化材料而受到人们关注。点阵结构，为实现零部件不同的外观和性能打开了一扇门。点阵结构所固有的复杂性，使得增材制造/3D打印技术与其制造有着天然的结合点。3D打印的一大优势是灵活性以及打印成本对产品的复杂性不敏感，这也是复杂的点阵结构成为3D打印领域的一大热门研究方向的主要原因。

▲ 点阵建模软件

© 3D科学谷白皮书

为增材制造而优化的拓扑优化

目前，用于AM-增材制造设计的现有拓扑优化工具遇到了一些普遍的问题：

首先，传统的拓扑优化方法（例如基于梯度的方法）总是在最终设计中生成“灰色”元素。理想情况下，最终设计中应该只有两种类型的元素：代表空隙的“白色”元素 (0) 和代表固体材料的“黑色”元素 (1)。然而，现有的软件工具会生成值介于 0 和 1 之间的“灰色”元素。在工程实践中，设计人员总是手动设置阈值来将灰色元素分类为 0 或 1。

其次，虽然现有的软件工具提供了用晶格单元替换“灰色”元素的能力，但还没有使用任何工具来根据增材制造设备和方法的制造能力来确定合适的晶格特性。

第三，拓扑优化工具不能用于创建受AM-增材制造约束所需的几何特征（例如出口孔）。

第四，目前普遍还没有集成 CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、多尺度 TO-拓扑优化和 AM-增材制造的过程。现有的软件工具大多只关注流程的一个或两个方面。

数据线程

福特的专利尝试解决与使用多种AM-增材制造技术制造的零部件的拓扑优化相关联的这些问题。

福特的专利将为增材制造工艺设计的零部件，分为三个区域组成：没有材料的空隙区域；固体材料区域；和非均匀格子区域。

© 福特

这些区域作为负载条件的函数在空间上分布在整个零件中，使得固体材料分布在第一负载路径的区域中，而点阵晶格分布在第二负载路径的区域中。

点阵晶格单元包括6杆四面体晶格单元、16杆六面体单元和24杆六面体单元等。点阵晶格单元的类型和尺寸是增材制造工艺的函数，点阵晶格单元的每个条的直径不相等。

▲ 含点阵结构的汽车用热交换器

© Conflux

福特的专利提供了用于成功实现AM-增材制造过程设计的集成数字线程，通过数字线程是连接数据流和整个产品设计周期的数据集成视图的通信框架，包括计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助工程 (CAE)、拓扑优化 (TO) ，考虑到特定增材制造工艺的制造限制。

数字线程通过避免产品价值链上的工程规范手动翻译错误来提高产品质量，从而提高新产品引入的速度和产品价值链上工程变更的沟通，通过提高数字化捕获和分析，提高与产品相关的制造效率。

福特的专利还通过分析点阵晶格尺寸并将固体材料和晶格单元分布到受应力/应变的位置来改进拓扑优化技术和晶格结构设计方法。因此，可以智能地重新分配结构的材料，从而减少材料消耗并减轻零件重量。

▲ 轻量化的实现方式

© 3D科学谷白皮书

当零件是汽车零件时，这样的优化设计方法将有助于提高轻量化水平。该方法还加快了为 AM-增材制造设计轻质结构的过程，并产生具有轻质和高性能的创新复杂结构设计。可以帮助消除模具成本，为小批量组件设计提供经济的解决方案，从而实现更精简、更环保的制造。

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