近年來(lái),3D打印技術(shù)結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的方法在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。少即是多,與3D打印相結(jié)合,拓?fù)鋬?yōu)化可以使用更少的材料實(shí)現(xiàn)更輕的部件,實(shí)現(xiàn)同樣的機(jī)械性能。
圖片來(lái)自:Lightbau Engineering
雖然拓?fù)鋬?yōu)化不是因3D打印的出現(xiàn)而存在,但只有3D打印才能充分利用其提供的設(shè)計(jì)自由度,這是因?yàn)橥負(fù)鋬?yōu)化方法產(chǎn)生的復(fù)雜幾何形狀通常很難通過(guò)傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行生產(chǎn)。隨著工業(yè)增材制造技術(shù)的進(jìn)步,拓?fù)鋬?yōu)化得到越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。本文將為大家詳細(xì)介紹3D打印拓?fù)鋬?yōu)化是什么,優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用及制作方法。
什么是3D打印拓?fù)鋬?yōu)化?
拓?fù)鋬?yōu)化是指利用數(shù)學(xué)方法來(lái)尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程,3D打印拓?fù)鋬?yōu)化則是將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于3D打印制造中。通過(guò)改變物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu),可以使得物體在滿足力學(xué)要求的情況下,最大程度地減少材料的使用量,從而達(dá)到輕量化的目的。
本質(zhì)上,拓?fù)鋬?yōu)化是優(yōu)化機(jī)械部件或零件的算法過(guò)程,通常通過(guò)減少材料來(lái)實(shí)現(xiàn),是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種,也是更廣泛的生成設(shè)計(jì)實(shí)踐的一部分。
拓?fù)鋬?yōu)化主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。不論哪個(gè)領(lǐng)域,都要依賴于有限元分析 (FEA)。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個(gè)單元(殼單元或者體單元),離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計(jì)空間內(nèi)建立一個(gè)由有限個(gè)梁?jiǎn)卧M成的基結(jié)構(gòu),然后根據(jù)算法確定設(shè)計(jì)空間內(nèi)單元的去留,保留下來(lái)的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨?,從而?shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。
3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)點(diǎn)
拓?fù)鋬?yōu)化用于整個(gè)工業(yè)部門,尤其是在航空航天工業(yè)中,減輕重量是必不可少的。同時(shí)也能在建筑、醫(yī)療和汽車行業(yè)中看到它,在這些行業(yè)中,減少材料的使用量會(huì)獲得額外的零件和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。 飛機(jī)支架的拓?fù)鋬?yōu)化將重量減輕了70%,圖片來(lái)自:3D Systems 輕量化
使用3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以將產(chǎn)品的重量大幅減輕,同時(shí)保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。輕量化結(jié)構(gòu)不僅可以降低材料成本,減少制造資源的消耗;此外,較輕的零件更容易運(yùn)輸,也更便宜,同時(shí)還可以減少對(duì)環(huán)境的影響。
快速生產(chǎn)
與傳統(tǒng)的制造方法相比,3D打印拓?fù)鋬?yōu)化可以快速生產(chǎn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件,而不需要進(jìn)行繁瑣的加工工藝。這也將加快數(shù)字設(shè)計(jì)可行性的迭代和驗(yàn)證,不僅可以減少生產(chǎn)時(shí)間,同時(shí)可以提高生產(chǎn)效率。
節(jié)省成本
3D打印拓?fù)鋬?yōu)化可以通過(guò)減少材料使用量,減少?gòu)U料和減少制造時(shí)間等方面降低成本。此外,與傳統(tǒng)的制造方法相比,3D打印技術(shù)具有更低的能耗和更少的人力成本。
3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的案例
航空航天
在航空航天領(lǐng)域中,3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以用來(lái)生產(chǎn)更輕、更強(qiáng)的部件,從而降低燃油消耗和提高飛行效率,這可以為航空公司節(jié)省大量資金。例如,空中客車A320飛機(jī)上使用的3D打印鈦金屬部件:機(jī)艙鉸鏈支架。
通過(guò)強(qiáng)度與重量的優(yōu)化,具有自然流暢的形狀。采用的是直接金屬激光燒結(jié)( DMLS)技術(shù),使用EOS的金屬3D打印設(shè)備。
汽車制造
3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前,幾乎所有的一級(jí)方程式賽車車隊(duì)都在使用增材制造技術(shù)為其汽車生產(chǎn)零件。通過(guò)優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)和減少重量,提高了車輛的性能和速度。
例如:雷諾F1車隊(duì)正在采用選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù),生產(chǎn)了由碳纖維增強(qiáng)尼龍制成的電子冷卻管道,并將其安裝在賽車上。
鐵路運(yùn)輸
TGM Lightweight Solutions是一家工程服務(wù)公司,專注于飛機(jī)、軌道車輛、公路車輛和船舶的輕量化設(shè)計(jì)和戰(zhàn)略重量?jī)?yōu)化。
對(duì)于最近需要減輕鐵路集裝箱重量的客戶項(xiàng)目,TGM使用Altair HyperWorks軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,將鐵路集裝箱的重量減輕20%。
3D打印拓?fù)鋬?yōu)化軟件
拓?fù)鋬?yōu)化中涉及的所有復(fù)雜計(jì)算都是通過(guò)特定軟件運(yùn)行的,這些軟件有的是獨(dú)立程序,也有的是集成在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 軟件中的模塊。其中最著名的是美國(guó)Altair公司Hyperworks軟件中的Optistruct模塊,這也是第一個(gè)商用拓?fù)鋬?yōu)化工具,于1994年推出。
OptiStruct開(kāi)創(chuàng)了創(chuàng)新優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展,包括許多行業(yè)第一,例如故障安全拓?fù)?、多材料拓?fù)浜投嗄P蛢?yōu)化。OptiStruct為傳統(tǒng)工藝、復(fù)合材料和增材制造提供了許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和廣泛的基本制造約束。
后來(lái)又加入了另一個(gè)軟件Altair Inspire,它可以提供多種拓?fù)溥x項(xiàng),包括優(yōu)化目標(biāo)、應(yīng)力和位移約束、加速度、重力和溫度負(fù)載條件。Altair Inspire為選區(qū)激光熔化 (SLM) 零件的設(shè)計(jì)和工藝仿真提供了快速準(zhǔn)確的工具集。
圖片來(lái)自:Ansys Software
還有Ansys Discovery、nTopology都是非常不錯(cuò)的拓?fù)渖稍O(shè)計(jì)軟件,除此之外,達(dá)索系統(tǒng)的Solidworks軟件、西門子的NX軟件、Autodesk的Fusion 360軟件以及PTC公司的Creo軟件都帶有拓?fù)鋬?yōu)化功能。
3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合,能夠提高零件的強(qiáng)度、減輕重量并降低成本,是未來(lái)工業(yè)設(shè)計(jì)制造的重要技術(shù)趨勢(shì)之一。
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