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- 發(fā)表時間：2019-10-24 16:04:45
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在《3D打印實現(xiàn)制造輕量化：從材料到結(jié)構(gòu)》的上篇中，我們介紹了輕量化的金屬材料、碳纖維及工程塑料，并對這些材料的3D打印工藝和應(yīng)用進(jìn)行了介紹。本期我們推出下篇，即3D打印優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)制造輕量化的特點與意義。
▌優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低材料使用要求
在經(jīng)典的輕量化設(shè)計中，“通過替代材料減輕重量”一直是指導(dǎo)原則，因此，輕量化設(shè)計的附加值來自創(chuàng)新材料。然而，較輕的材料通常在采購、設(shè)計和使用方面都需要高昂的成本。現(xiàn)代輕量化設(shè)計會考慮整個系統(tǒng)，在概念階段就已經(jīng)專注于減輕重量。
賽車部件輕量化解決方案
采用優(yōu)化設(shè)計的方法實現(xiàn)制造輕量化，不僅可以降低對材料的使用要求，還能減少昂貴材料的使用量，縮短加工時間。接下來，我們會介紹3D打印工藝條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法以及在航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用特點。
▌輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
● 點陣結(jié)構(gòu)大規(guī)模替代實體材料，減輕重量同時賦予結(jié)構(gòu)功能性
在滿足性能要求的前提下，采用點陣（網(wǎng)格）結(jié)構(gòu)大幅減少了實體材料的用量，成為結(jié)構(gòu)輕量化的重要手段。在傳統(tǒng)上，金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的制造方式主要有機(jī)加工打孔和造孔劑成型，前者受到機(jī)加工條件的限制只能制造簡單結(jié)構(gòu)，而造孔劑造孔成型過程也并不完全可控。如今，增材制造技術(shù)極大釋放了設(shè)計人員的自由度，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜程度也得以擴(kuò)展，設(shè)計人員不必再過多考慮能不能實現(xiàn)的問題，而是哪種結(jié)構(gòu)性能更好的問題。
點陣結(jié)構(gòu)具有不同的胞元形狀
網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計通過一系列的單元結(jié)構(gòu)生成網(wǎng)格陣列，在實現(xiàn)輕量化的同時，填充結(jié)構(gòu)的布局和設(shè)計又可產(chǎn)生隔振、吸聲、吸能、傳質(zhì)等功能。組成網(wǎng)格陣列的單元結(jié)構(gòu)也可產(chǎn)生不同的力學(xué)性能，關(guān)于最佳結(jié)構(gòu)性能特征的設(shè)計特點以及提高網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可加工性和質(zhì)量的設(shè)計規(guī)則也正在成為研究的趨勢。
Materialise為Atos開發(fā)的輕量化衛(wèi)星鈦合金鑲件
網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的另一種設(shè)計方法是基于影像的反求法，主要應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。其原理是通過對自然骨的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，得到骨小梁結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)模型后，直接對三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行修改設(shè)計，是基于逆向工程技術(shù)的一種延伸。這種方式設(shè)計的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)保留了生物網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特征，但由于三角網(wǎng)格的數(shù)據(jù)非常龐大，對計算機(jī)的處理性能有較高要求。
基于人類松質(zhì)骨CT影像數(shù)據(jù)，使用SLM技術(shù)直接制備具有類似人類松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的多孔Ti植入物
● 拓?fù)鋬?yōu)化為增材制造提供創(chuàng)新設(shè)計，增材制造為拓?fù)鋬?yōu)化提供制造手段
拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的另一重要手段，用于計算給定問題下最優(yōu)的材料空間分布狀態(tài)。一般而言，針對指定的目標(biāo)，在給定的載荷、約束和邊界條件下，通過拓?fù)鋬?yōu)化算法可以在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)找到最佳結(jié)構(gòu)配置。經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的零部件理論上可滿足載荷需求，實現(xiàn)特定算法下的材料最優(yōu)分布，可以獲得在特定體積分?jǐn)?shù)下的最優(yōu)承力結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。
然而，拓?fù)鋬?yōu)化的幾何構(gòu)型復(fù)雜，采用傳統(tǒng)制造工藝制備非常困難，設(shè)計人員往往要基于制造技術(shù)及經(jīng)驗對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行二次設(shè)計，來滿足可制造性，降低制造成本。這種做法往往會損壞結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性，得到的結(jié)構(gòu)性能甚至達(dá)不到已有構(gòu)型。另一方面，受制于傳統(tǒng)設(shè)計理念及制造工藝，結(jié)構(gòu)往往僅進(jìn)行宏觀拓?fù)湓O(shè)計，并未充分利用結(jié)構(gòu)在多尺度上的變化或者空間梯度變化所帶來的廣闊設(shè)計空間，使得產(chǎn)品性能提升非常有限。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得幾何形式高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備成為可能。著名設(shè)計專家程耿東院士提到，拓?fù)鋬?yōu)化為增材制造提供了創(chuàng)新設(shè)計，增材制造為拓?fù)鋬?yōu)化提供了制造手段。
● 創(chuàng)成式設(shè)計，突破設(shè)計極限，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)化 創(chuàng)成式設(shè)計（Generative Design）是一個人機(jī)交互、自我創(chuàng)新的過程。通過算法，設(shè)計人員可以迭代數(shù)百甚至數(shù)千種不同的設(shè)計，而無需手工創(chuàng)建單個物理模型。通過輸入不同的參數(shù)來創(chuàng)建多種設(shè)計結(jié)果，可以設(shè)置所需要的不同的應(yīng)力水平、溫度或濕度、零件可能在其工作環(huán)境中受到影響的其他因素，生成潛在的可行性設(shè)計方案，經(jīng)過綜合對比，篩選出設(shè)計方案供設(shè)計者進(jìn)行最后決策。 通過創(chuàng)成式設(shè)計生成的輕量化豐田氣缸蓋 創(chuàng)成式設(shè)計可以幫助設(shè)計師優(yōu)化零件強度重量比，可以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)展的方式，創(chuàng)造出最強大的結(jié)構(gòu)，同時最大限度地減少材料的使用。而增材制造技術(shù)可以將復(fù)雜的設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實，兩者的發(fā)展正在改變著設(shè)計制造的模式。 ▌材料和結(jié)構(gòu)協(xié)同制造，滿足更高要求 在商用飛機(jī)、軍機(jī)、火箭、衛(wèi)星、汽車等領(lǐng)域，減重一直是永恒的話題。輕量化的材料+創(chuàng)新型的設(shè)計+3D打印，新模式為減重進(jìn)一步釋放了空間。材料和結(jié)構(gòu)協(xié)同制造，使?jié)M足更高要求成為可能。 西北工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊調(diào)研了應(yīng)用于飛機(jī)和航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的最新進(jìn)展。通過重新分布材料布局和相應(yīng)的承載路徑，拓?fù)鋬?yōu)化已被認(rèn)為是在航空和航天工程應(yīng)用中最有效的設(shè)計工具之一。同時，航空航天結(jié)構(gòu)工程快速發(fā)展中突出的大量技術(shù)難題也推動了拓?fù)鋬?yōu)化理論的進(jìn)步。 傳統(tǒng)的觀測衛(wèi)星天線支架由幾個獨立的部分通過柳釘結(jié)合，重量大、發(fā)射成本高。通過拓補優(yōu)化和3D打印，天線支架減輕了40%的重量，比最低要求強度提高了30%，降低了系統(tǒng)成本和燃料消耗，并順利完成靜動態(tài)測試和可靠性測試，成為航天認(rèn)證產(chǎn)品。 在汽車領(lǐng)域，傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法可能不再適用，取而代之的是創(chuàng)成式的優(yōu)化設(shè)計方法，它既能減少零件質(zhì)量，又能延長零件使用壽命。創(chuàng)成式的優(yōu)化設(shè)計方法還能使車身零件數(shù)大幅減少，未來也會成為輕量化制造的有效手段。 寶馬i8 Roadster軟頂支架迭代過程及通用汽車采用創(chuàng)成式設(shè)計將8個零件集成為1個 點陣結(jié)構(gòu)基于其強大的功能性，其應(yīng)用覆蓋高端領(lǐng)域和普通消費品。在點陣結(jié)構(gòu)中，單胞排列可以是相同的，也可以是不同的；可以是均勻的排列，也可以是不均勻的排列；甚至可以是不同的單胞、不同的排列方式進(jìn)行排列，結(jié)構(gòu)可以是千變?nèi)f化，對應(yīng)的性能也是千差萬別。 鈦合金混合晶格結(jié)構(gòu) 點陣結(jié)構(gòu)醫(yī)療植入物 在醫(yī)療器械中，點陣結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)植入體減重，還可以促進(jìn)人體組織的長入，加速愈合過程。在軍工應(yīng)用領(lǐng)域，點陣結(jié)構(gòu)還可實現(xiàn)隔振、吸聲、吸能、傳質(zhì)等功能；在消費品領(lǐng)域，點陣結(jié)構(gòu)也廣泛應(yīng)用于運動鞋、頭盔等產(chǎn)品的制造。 3D打印技術(shù)與制造的復(fù)雜性基本無關(guān)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化能為增材制造提供創(chuàng)新設(shè)計，而增材制造則為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供制造手段，兩者的結(jié)合實際上互相成就了對方，成為各領(lǐng)域結(jié)構(gòu)減重、推出創(chuàng)新產(chǎn)品的新模式。 而優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合高性能的材料，再利用3D打印技術(shù)，采用最佳的工藝流程，就有可能實現(xiàn)產(chǎn)品的最終優(yōu)化目標(biāo)。 
不同品牌不同點陣結(jié)構(gòu)的3D打印運動鞋
