拓撲優化與模擬為3D列印注入力量

科技 08-13

3D列印增材製造的一大潛力是重塑產品設計，使得很多我們原來所熟悉的產品變得跟原來「長」得幾乎完全不一樣。更少的材料，同樣甚至更好的力學性能，增材製造為設計師們打開了一個全新的領域。

在增材製造的加工工藝中，設計師就不需要顧慮太多加工的限制問題了，他們可以更多關注這個產品要實現的性能目標是什麼？可以設計一個具有相同功能特性的產品而使用較少的材料嗎？怎樣獲得成本節約？正是增材製造的靈活性使得零件正變得越來越複雜、有機和更輕，同時滿足性能要求。本期，3D科學谷通過達索模擬專家Subham Sett的分析來進一步了解手拉手的模擬與增材製造。

拓撲優化與模擬為3D列印注入力量

來源：Subham Sett

拓撲優化與模擬讓3D列印更靠譜

拓撲優化與模擬為3D列印注入力量

來源：Subham Sett

圖1 拓撲優化的一般目標是在一個給定的設計空間優化材料的分布。對於基本的優化任務，材料體積是約束條件。對於一個給定的材料體積（目標體積或目標重量），最大剛性必須實現。

拓撲優化是縮短增材製造設計過程的重要手段，通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓撲方法確定在一個確定的設計領域內最佳的材料分布：包括邊界條件、預張力，以及負載等目標。其中如圖1通過Tosca軟體可以用來創建有機設計從而使用更少的材料，同時滿足所有的功能要求和約束條件。在一個更大的設計空間（灰色區域）內，基於Abaqus迭代非線性有限元分析，將滿足性能要求所需要的材料呈現出來。此外，Tosca軟體還可以與其他第三方的有限元求解器進行聯合模擬，從而對複雜結構部件在非線性分析的基礎上進行無參數優化。

Tosca軟體在傳統製造模式下鑄造和注塑模具的設計方面會充分考慮到傳統製造都有哪些限制。那麼在增材製造模式下，是否也需要有一些特殊的考慮呢？拿NASA的飛行器和衛星上的一個線路板外殼來說。考慮到發射平均成本，1磅的材料發射到空間的成本接近10,000美元。拓撲優化設計的模型通過FDM熔融沉積3D列印技術製造出來後重量減輕了將近三分之一。

拓撲優化與模擬為3D列印注入力量

來源：Subham Sett

需要考慮的因素不僅僅包括增材製造加工過程本身，通常3D列印出來的產品與傳統工藝製造出來的零件還需要組裝在一起。Tosca軟體模擬優化過程中就需要考慮兩種零件結合部位的設計。針對於增材製造過程還需要考慮列印的解析度選擇問題，你還需要選擇一個保守的限制，以避免列印過程中出現空隙或裂縫這樣的缺陷。另外，大多數的增材製造過程需要支撐結構，無論是僅僅起到支撐的作用還是為了提供熱傳導路徑，支撐結構都增加了材料和列印開銷的成本。盡量減少懸伸以避免支撐結構，並通過優化構建方向來減少支撐的需要，提高成本效益。

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