PEP工藝+拓?fù)鋬?yōu)化，為創(chuàng)新拓展廣闊設(shè)計(jì)空間

拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization，TO）是在給定的3D幾何設(shè)計(jì)空間內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)人員設(shè)置的定義規(guī)則集，優(yōu)化材料的布局及結(jié)構(gòu)的過(guò)程。目標(biāo)是通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的外力、荷載條件、邊界條件、約束以及材料屬性等因素進(jìn)行數(shù)學(xué)化建模和優(yōu)化，從而最大限度地提高結(jié)構(gòu)件的性能。

拓?fù)鋬?yōu)化在傳統(tǒng)制造面臨的困境

拓?fù)鋬?yōu)化因其不依賴初始構(gòu)型及工程師經(jīng)驗(yàn)，可獲得完全意想不到的創(chuàng)新構(gòu)型，受到學(xué)者以及工程人員的廣泛關(guān)注。通俗地講，原始結(jié)構(gòu)為了加工的方便實(shí)際上是比較規(guī)整的，但是其中大量的材料并沒(méi)有怎么受力，通過(guò)計(jì)算和迭代優(yōu)化，可以將零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為新的樣式，新零件的各個(gè)部分的受力情況較之前更為均勻，沒(méi)有了應(yīng)力集中分布于小范圍內(nèi)的情況，這樣可以把不必要的材料去掉，更充分地利用材料的載荷能力，在保證良好的力學(xué)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。如下圖所示：支架的幾何形狀經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化后，僅保留了50％的材料，這些材料對(duì)剛度的貢獻(xiàn)最大。

△拓?fù)鋬?yōu)化示意圖

然而，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果幾何構(gòu)型復(fù)雜，采用傳統(tǒng)制造工藝制備非常困難，因此拓?fù)鋬?yōu)化方法與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間仍存在較大的鴻溝。設(shè)計(jì)人員往往要基于制造技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，來(lái)滿足可制造性，降低制造成本。這種做法往往會(huì)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(jì)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(jì)，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(lái)的廣闊設(shè)計(jì)空間，使得產(chǎn)品性能提升非常有限。

3D打印能否突破“制造決定設(shè)計(jì)”

增材制造技術(shù)（俗稱：3D打�。┦峭ㄟ^(guò)材料層層累加的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備。這種獨(dú)特的制造方式可實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自由“生長(zhǎng)”成形，極大地拓寬了設(shè)計(jì)空間，為新型結(jié)構(gòu)及材料的制備提供了強(qiáng)大的工具。3D打印基于全數(shù)字化三維模型，在智能拓?fù)鋬?yōu)化系統(tǒng)的支持下，可使得幾何形式高度復(fù)雜，且能使得從微觀到宏觀多個(gè)幾何尺度結(jié)構(gòu)的制備成為可能。其顛覆了傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限，解決了產(chǎn)品研發(fā)存在的“制造決定設(shè)計(jì)”問(wèn)題。

△典型的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)步驟

因此，將拓?fù)鋬?yōu)化與3D打印技術(shù)相融合，發(fā)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)具有廣闊的前景。如航空航天結(jié)構(gòu)件的創(chuàng)新研發(fā)具有小批量、多品種、高性能等特點(diǎn)。3D打印作為一種無(wú)模成型三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)字化制造技術(shù)，可快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備。不僅突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對(duì)構(gòu)件外形、幾何尺寸和內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原理性制約。而且使廣大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以充分利用和發(fā)揮3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，徹底擺脫傳統(tǒng)制造技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期禁錮枷鎖，放飛夢(mèng)想，可自由地進(jìn)行以產(chǎn)品性能最佳化為目標(biāo)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

拓?fù)鋬?yōu)化遇到PEP工藝，同樣不在話下

基于增材制造工藝，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)“極限”，研發(fā)整體化、輕量化、低成本的高性能新結(jié)構(gòu)和材料是新一代重大/高端裝備與結(jié)構(gòu)研制的迫切需求。升華三維作為國(guó)內(nèi)金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)開拓者和引領(lǐng)者。為展示PEP工藝的制造穩(wěn)定性及其對(duì)復(fù)雜部件的制備能力，升華三維融合工業(yè)應(yīng)用之實(shí)際，充分發(fā)揮PEP技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，采用自主研發(fā)的獨(dú)立雙噴嘴3D打印機(jī)打印出基于同類原始構(gòu)件不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的金屬支架構(gòu)件生坯，再通過(guò)脫脂和燒結(jié)制備出一批最終致密且力學(xué)性能一致的結(jié)構(gòu)件。

公司設(shè)計(jì)工程師根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，并能在滿足支架構(gòu)件功能要求的同時(shí)提高可制造性，對(duì)支架構(gòu)件從尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)和材料分布等多方面進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工程師在確保設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有助于組件之間所有必要的連接后，盡可能少的保留了原始結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，以提高其剛度重量比。

△拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

采用PEP工藝，通過(guò)公司3D打印設(shè)備打印生坯，可極大節(jié)省制造時(shí)間與成本，縮短加工周期。再經(jīng)過(guò)后續(xù)的脫脂和燒結(jié)處理，保證了構(gòu)件各項(xiàng)指標(biāo)的強(qiáng)度和性能，對(duì)于進(jìn)行不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析，采用PEP方法打印出的同類結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵性能指標(biāo)一致好，充分顯示出拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)給3D打印的成功性，能夠?yàn)楣�業(yè)化創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)和批量化生產(chǎn)制造提供解決方案。

△拓?fù)鋬?yōu)化支架（生坯）

△拓?fù)鋬?yōu)化支架（燒結(jié)）

伴隨著增材制造工藝的快速發(fā)展，建立面向增材制造的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論和方法，獲得具有可制造性的優(yōu)質(zhì)構(gòu)型，已成為當(dāng)今設(shè)計(jì)師和研究人員所面臨的新課題。拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已在構(gòu)造化材料、多層級(jí)結(jié)構(gòu)、多材料結(jié)構(gòu)及多功能結(jié)構(gòu)開展了豐富的研究，可充分利用增材制造技術(shù)釋放極大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)空間。如何將拓?fù)鋬?yōu)化與增材制造技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力的飛速提升，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的工程應(yīng)用，必將成為下一步研究的重點(diǎn)。

作為目前國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的具備金屬/陶瓷材料開發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機(jī)研發(fā)生產(chǎn)、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結(jié)工藝一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈及解決方案的供應(yīng)商。升華三維一直致力于面向解決金屬·陶瓷傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法制造的難題，積極貫通金屬/陶瓷制造全鏈條、全流程、全配套的高附加值服務(wù)。升華三維也將不斷提高技術(shù)創(chuàng)新能力，響應(yīng)市場(chǎng)應(yīng)用需求，不斷開發(fā)和完善軟件及硬件功能，提升工藝解決服務(wù)能力。夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)、創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)，加快促進(jìn)我國(guó)智能制造高質(zhì)量發(fā)展。