導(dǎo)讀：3D打印增材制造的一大潛力是重塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使得很多我們?cè)瓉硭煜さ漠a(chǎn)品變得跟原來“長(zhǎng)”得幾乎完全不一樣。更少的材料，同樣甚至更好的力學(xué)性能，增材制造為設(shè)計(jì)師們打開了一個(gè)全新的領(lǐng)域。
在增材制造的加工工藝中，設(shè)計(jì)師就不需要顧慮太多加工的限制問題了，他們可以更多關(guān)注這個(gè)產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的性能目標(biāo)是什么?可以設(shè)計(jì)一個(gè)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(fù)雜、有機(jī)和更輕，同時(shí)滿足性能要求。本期，通過達(dá)索仿真專家Subham Sett的分析來進(jìn)一步了解手拉手的仿真與增材制造。
圖1拓?fù)鋬?yōu)化的一般目標(biāo)是在一個(gè)給定的設(shè)計(jì)空間優(yōu)化材料的分布。對(duì)于基本的優(yōu)化任務(wù)，材料體積是約束條件。對(duì)于一個(gè)給定的材料體積(目標(biāo)體積或目標(biāo)重量)，最大剛性必須實(shí)現(xiàn)。
拓?fù)鋬?yōu)化是縮短增材制造設(shè)計(jì)過程的重要手段，通過拓?fù)鋬?yōu)化來確定和去除那些不影響零件剛性的部位的材料。拓?fù)浞椒ù_定在一個(gè)確定的設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)最佳的材料分布：包括邊界條件、預(yù)張力，以及負(fù)載等目標(biāo)。其中如圖1通過Tosca軟件可以用來創(chuàng)建有機(jī)設(shè)計(jì)從而使用更少的材料，同時(shí)滿足所有的功能要求和約束條件。在一個(gè)更大的設(shè)計(jì)空間(灰色區(qū)域)內(nèi)，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(jìn)行聯(lián)合仿真，從而對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件在非線性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shè)計(jì)方面會(huì)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(gè)線路板外殼來說?？紤]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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的模型通過FDM熔融沉積3D打印技術(shù)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(jié)合部位的設(shè)計(jì)。針對(duì)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(gè)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(jié)構(gòu)，無論是僅僅起到支撐的作用還是為了提供熱傳導(dǎo)路徑，支撐結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化構(gòu)建方向來減少支撐的需要，提高成本效益。
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