面向3D打印-增材制造的先进设计案例与完整流程

增材制造是未来制造业的发展趋势，其优势是可以实现传统工艺手段无法制造的设计，比如复杂轻量化结构、点阵结构设计、多零件融合一体化制造。增材制造是工艺的革命，同时，也打开了设计的枷锁，带来了产品设计的革命。在面向增材的设计中，需要重新审视原有设计，关注增材制造与其它工艺的不同之处，充分发挥增材的优势，这些差异会给我们带来面向增材的设计机会。

通过介绍基于拓扑优化的先进设计经典案例来理解发挥增材制造潜力的设计特点，并通过我们介绍的面向增材制造的先进设计完整过程的介绍来分享仿真优化为核心的增材制造设计思维。

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视频：拓扑优化

案例：通讯卫星支架结构经过拓扑优化的再设计，去掉了44个铆钉成为一体化

结构，重量减轻了35%，而刚性却提高了40%。

案例：机器人机械臂的增材设计流程在ANSYS平台下完成，对其两个机械臂部件进行设计优化，流程包括拓扑优化、结构光顺、模型验证，并通过3D打印制造。优化结果在最大应力和最大变形相当的情况下，重量减少了40%。

一个完整的面向增材制造的先进设计流程通常包括如下几个步骤：

Step1

拓扑优化：确定概念设计。

Step2

后拓扑结构设计：包括模型光顺处理、实体化、点阵结构设计等。

Step3

设计验证：对设计方案进行性能仿真，确定其符合设计要求。

Step4

参数优化：在设计验证的基础上进一步进行详细的设计优化和定型。

来源：安世中德

拓扑优化

拓扑优化基于已知的设计空间和工况条件以及设计约束，考虑工艺约束，比如增材制造的悬垂角，确定刚度最大、质量最小的设计方案。它通过计算材料内最佳的传力路径，通过优化单元密度确定可以挖除的材料，最终的优化结果为密度分布：0（完全去除）~1（完全保留）。拓扑优化革新了传统的功能驱动的经验设计模式，实现了以实现产品性能驱动的设计，成为真正的正向设计模式。

图片来源：

拓扑优化的成熟产品比较多，如ANSYS Topology、Genesis、optiStruct

、SolidThinking、Tosca等。根据3D科学谷，随着3D打印对拓扑优化工具需求的发展，市场上还出现了基于云的拓扑优化软件，例如ParaMatters的CogniCAD 和Frustum的Generate（被PTC收购）。

后拓扑结构设计

拓扑优化仅仅给出材料分布的概念设计，在拓扑优化概念设计模型的基础上，应用专业的后拓扑模型处理技术进行后拓扑模型处理，在最大限度保留拓扑优化结构特征的基础上形成符合力学要求、美学要求以及装配要求的最终设计模型，并根据需要对其进行参数化以利后续参数化详细设计。

后拓扑模型处理的关键环节如下，根据需要选择具体步骤。

Step1拓扑优化结果（保留材料区域）输出STL格式。

Step2片体模型处理(清理、修复、光顺、逆向工程等)。

Step3 实体建模操作：点阵结构设计、实体化、模型重构等。

Step4模型参数化（如果后续需要进行参数优化）。

后拓扑模型结构设计需要可对片体模型进行处理和逆向工程操作的软件工具，如ANSYS Spaceclaim、Materialise 3-Matic等。

图片：拓扑优化光顺模型重构模型，来源安世中德

点阵结构设计与优化

点阵结构不仅仅是一种轻量化结构，也是一种功能性结构，比如减振、降噪、隔热、防火等功能，增材制造技术使得复杂点阵结构的大量应用成为可能。

点阵结构的设计与拓扑优化可以实现流程上的集成，基于拓扑优化可以实现点阵结构的优化设计，以ANSYS Topology为例，基于选定的点阵结构类型，拓扑优化可以对点阵结构密度进行优化，基于优化的点阵结构密度，ANSYS Spaceclaim自动生成变密度的点阵结构。

图：点阵结构优化，来源安世中德

点阵结构设计需要专业的设计软件来完成，例如ANSYS Spaceclaim和Materialise 3-Matic均提供了多种内置点阵结构，用户可以直接选择点阵结构类型自动完成选定区域的点阵设计，并通过参数来控制其填充率和尺寸。

设计验证与点阵结构分析

拓扑优化的设计方案需要应用仿真手段进行性能验证，包括结构力学性能、流体动力学性能等，这需要拓扑优化流程与仿真流程的集成与数据传递。根据3D科学谷，目前被应用的比较广泛的有限元分析软件主要来自ANSYS、ABAQUS、MSC 等。常见的有限元软件包括MSC.Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、LUSAS、COMSOL Multiphysics、FEPG等等。

图：拓扑优化到设计验证的无缝集成，来源安世中德

点阵结构方面，点阵结构由于其结构复杂性和庞大的构件数量而成为仿真的难点，尤其是点阵结构的优化设计技术是需要解决的一个问题。

图：点阵结构多尺度分析基本流程，来源安世中德

在这方面，安世中德咨询有限公司开发了专门的集成于ANSYS Workbench的点阵结构仿真分析模块Lattice Simulation。其基本思想是以宏细观结合多尺度算法为基础的等效均质化力学方法。即基于细观分析方法（子胞分析）获取点阵结构宏观均质化力学特性，然后通过宏观分析对点阵结构进行等效模拟，再回到细观，基于宏观计算结果对点阵结构进行局部细节模拟。

点阵结构多尺度仿真分析关键技术环节包括：

Step1点阵结构胞元的确定。

Step2点阵结构胞元的均匀化分析以及点阵结构等效性质（等效弹性矩阵）的确定。

Step3针对实际工况，进行整体结构经等效均匀化后的计算，确定整体变形和应变。

Step4点阵结构胞元的局部应力分析（基于均质化应变确定点阵结构的强度）。

参数优化

拓扑优化后的结构设计流程进入设计验证阶段后，即进入了详细设计定型阶段，而结合参数优化技术进行设计定型，是一种更有效的详细设计手段。