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设计与制造一体化——拓扑优化与增材制造完美结合

发布时间:2017-07-03 作者:刘书田  来源:航空制造网
关键字:拓扑优化 制造一体化 
增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)通过材料层层累加的方式实现结构的制备。这种独特的制造方式可实现高度复杂结构的自由“生长”成形,极大地拓宽了设计“空间”,为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。

    2 自支撑结构设计
 
    增材制造过程中,对于大悬挑结构,往往需要在其下方添加支撑结构,以防止制造工程中结构坍塌,如图所示。支撑结构的使用,不仅仅会带来打印时间及成本的增加,而且在后期去除时,带来工艺难度,影响结构最终表面精度。因此设计自支撑结构,在优化过程中自动识别特征结构,避免大悬挑结构,成为研究的热点。
 
    部分学者在此方向做了初步探索,然而现有的模型大多基于理论假设,结构坍塌极限与材料属性、悬挑角度以及悬挑长度等关系,并未通过大量的试验精确获得。
 
    3 制造缺陷
 
    近几年,增材制造技术虽得到了飞速的发展,然而整体来看该制造工艺仍处于技术萌芽初期,尚未成熟。受工艺限制,增材制造结构件往往存在一些缺陷,例如材料各向异性、表面粗糙以及材料属性不确定等。针对该问题,一些学者将制造缺陷考虑到拓扑优化模型中,
 
    大悬挑结构及支撑结构示意图
 
    大悬挑结构及支撑结构示意图
 
    以减小缺陷对结构性能的影响。然而,在实际计算过程中,所使用的缺陷模型大多为理论模型,与增材制造工艺引起的不确定模型并不相符。因此,基于试验研究增材制造的材料成形机理,建立真实缺陷模型,并引入到拓扑优化过程中,是未来研究的目标。
 
    4 连通性约束
 
 封闭结构内部无法去除支撑结构
 
    封闭结构内部无法去除支撑结构
 
考虑不同连通性约束设计结构
 
    考虑不同连通性约束设计结构
 
    增材制造过程中,无论是采用熔融沉积成型(FDM)或者激光选择性烧结粉末技术(SLS),都需要在结构打印结束后去除支撑材料或者未熔融的金属粉末,因而要求结构内部不能含有封闭的内部孔洞。对于含内部孔洞的结构,由于无法去除支撑材料或者未熔融的金属粉末,常常需要二次修正或者结构分区制造,大大增加了制造的工艺难度,提高了成本。
 
    结论
 
    伴随着增材制造工艺的快速发展,建立面向增材制造的创新设计理论和方法,获得具有可制造性(可制造性设计)的优质构型(优质构型设计),已成为当今设计师和研究人员所面临的新课题。拓扑优化技术经过几十年的发展,已在优质构型设计上(构造化材料、多层级结构、多材料结构及多功能结构)开展了丰富的研究,可充分利用增材制造技术释放极大的创新设计空间。如何将拓扑优化(先进的设计工具)与增材制造技术(先进的制备工具)相结合,实现结构创新能力的飞速提升,必将成为未来10 年研究的重点和热点。
 
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