導讀：3D打印增材制造的一大潛力是重塑產(chǎn)品設計，使得很多我們原來所熟悉的產(chǎn)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，增材制造為設計師們打開了一個全新的領域。
在增材制造的加工工藝中，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(chǎn)品要實現(xiàn)的性能目標是什么?可以設計一個具有相同功能特性的產(chǎn)品而使用較少的材料嗎?怎樣獲得成本節(jié)約?正是增材制造的靈活性使得零件正變得越來越復雜、有機和更輕，同時滿足性能要求。本期，通過達索仿真專家Subham Sett的分析來進一步了解手拉手的仿真與增材制造。
圖1拓撲優(yōu)化的一般目標是在一個給定的設計空間優(yōu)化材料的分布。對于基本的優(yōu)化任務，材料體積是約束條件。對于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(xiàn)。
拓撲優(yōu)化是縮短增材制造設計過程的重要手段，通過拓撲優(yōu)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軟件可以用來創(chuàng)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(qū)域)內，基于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(xiàn)出來。此外，Tosca軟件還可以與其他第三方的有限元求解器進行聯(lián)合仿真，從而對復雜結構部件在非線性分析的基礎上進行無參數(shù)優(yōu)化。
Tosca軟件在傳統(tǒng)制造模式下鑄造和注塑模具的設計方面會充分考慮到傳統(tǒng)制造都有哪些限制。那么在增材制造模式下，是否也需要有一些特殊的考慮呢?拿NASA的飛行器和衛(wèi)星上的一個線路板外殼來說。考慮到發(fā)射平均成本，1磅的材料發(fā)射到空間的成本接近10,000美元。拓撲優(yōu)化設計的模型通過FDM熔融沉積3D打印技術制造出來后重量減輕了將近三分之一。
需要考慮的因素不僅僅包括增材制造加工過程本身，通常3D打印出來的產(chǎn)品與傳統(tǒng)工藝制造出來的零件還需要組裝在一起。Tosca軟件仿真優(yōu)化過程中就需要考慮兩種零件結合部位的設計。針對于增材制造過程還需要考慮打印的分辨率選擇問題，你還需要選擇一個保守的限制，以避免打印過程中出現(xiàn)空隙或裂縫這樣的缺陷。另外，大多數(shù)的增材制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打印開銷的成本。盡量減少懸伸以避免支撐結構，并通過優(yōu)化構建方向來減少支撐的需要，提高成本效益。
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