增材制造可以實現傳統工藝手段無法制造的設計，比如復雜輕量化結構、點陣結構、多零件融合結構一體化制造等。增材制造不僅是工藝的革命，它還帶來了設計的革命，帶來了全新的設計可行性，使得改變設計理念成為必然。本期聚焦安世中德提出的面向增材制造的正向設計理念和解決方案，所分享的案例的整個設計流程涵蓋拓撲優化、后拓撲重構與詳細設計以及設計驗證等增材設計的所有主要部分。

        本文將安世中德提出的面向增材制造的先進設計理念和解決方案應用到某結構設計中，通過拓撲優化概念設計、后拓撲模型重構、根據仿真結果對模型進行調整的詳細設計，最終設計的仿真驗證以及物理樣機的打印與測試這一套完整流程，完成了具有較高極限承載力的最佳結構設計。值得一提的是，通過仿真驗證獲得的極限承載力與實測的極限承載力的誤差只有2.5%。

面向增材制造的正向設計

      基于增材思維的設計是一場設計的革命，它完全打開了設計枷鎖，進行面向增材制造、由產品性能驅動的設計。在該設計流程中，正向設計是核心思想，仿真優化是核心技術，其基本流程為：

來源：3D科學谷

本文將上述面向增材制造的先進設計流程具體應用到某結構設計中。

 結構設計問題描述

       自然界的螞蟻是舉世公認的“大力士”，它能舉起300倍于自己的物體。而3D打印與正向設計的結合，正在釋放出“小重量，大力氣”的產品創新空間。本文聚焦于擴散連接結構的設計：集中載荷作用在結構中心，并通過擴散連接結構傳遞到主結構完成集中載荷的擴散。通過優化擴散連接結構，可以更高效的將集中載荷擴散到主結構。其優化目標是結構承受的集中力載荷最大；其結構約束為材料用量不超過30ml；其打印材料為光敏樹脂，其部分物理、力學及工藝特性如表1所示。

表1. 光敏樹脂的部分物理、力學及工藝特性

初始結構模型及相應結構參數如圖1所示。結構設計在此初始模型上進行。

圖1. 初始結構示意圖。來源：安世亞太

連接結構的上方φ10通孔處為受力點，施加向下的集中載荷，下方均布的8個φ6.2通孔處為螺栓固定區域。加載試驗描述如下：試件通過螺栓固定在下方工裝上，上方通過接頭緩慢向下移動，施加載荷，直到結構破壞，加載工裝示意圖如圖2所示。

圖2. 加載工裝示意圖。來源：安世亞太

 基于產品性能要求定義設計空間、設計條件和設計目標

基于產品性能要求定義設計空間、設計條件和設計目標如下：

• 設計空間，即設計區域約束如下（見圖1）：
• 灰色區域為初始結構（參考結構）
• 黃色區域為不可設計區域
• 載荷的初始加載高度為70mm（不可更改）
• 螺栓墊片的固緊高度為8mm（不可更改）
• 工裝有8個連接點，不必全部連接，可使用其中部分連接點用螺栓固定
• 結構不能含有封閉空腔
• 設計目標：結構承受的集中力載荷最大
• 設計條件：材料用量不高于30ml（體積）

 拓撲優化設置及結果– 概念設計

   首先對初始結構按上述要求進行拓撲優化。拓撲優化基于已知的設計空間、工況條件以及設計約束，并考慮工藝約束，通過計算材料內最佳的傳力路徑，通過優化單元密度確定可以挖除的材料。拓撲優化革新了傳統的功能驅動的經驗設計模式，實現了性能驅動的生成式設計，成為真正的正向設計模式。

針對本次結構設計，拓撲優化的實現手段是：

（1）在SpaceClaim里對初始模型進行處理，將初始模型分為8個區域，如圖3所示；

圖3. 拓撲優化初始結構。來源：安世亞太

（2）在ANSYS Workbench里創建拓撲優化流程，即Static Structural + Topology Optimization，如圖4所示。

圖4. 拓撲優化流程。來源：安世亞太

(責任編輯：admin)

• Xenia進軍大幅面增材制造
• 研究人員基于3D打印冰模板
• 美國Brooks與惠普合作開發
• 《AHM》：3D打印為患者定
• MB Therapeutics與Lynxter
• 美國國防部正在使用3D打印

• ·Xenia進軍大幅面增材制造市場，憑借獨
• ·研究人員基于3D打印冰模板開發出混凝土
• ·美國Brooks與惠普合作開發高性能競技3D
• ·《AHM》：3D打印為患者定制“一對一”
• ·MB Therapeutics與Lynxter合作，推出針
• ·美國國防部正在使用3D打印制造高超音速
• ·HYP3D項目采用陶瓷3D打印生產高壓氫氣
• ·澳大利亞政府教育部推動iLAuNCH項目，