与传统制造技术相比，3D打印-增材制造技术具有诸多优势，包括：能够高精度制造复杂几何结构、最大限度节省材料、设计灵活度高、支持个性化定制。正因如此，增材制造技术和材料科学的进步正在推动结构向轻量化、智能化方向发展，以实现更高的刚度-重量比和强度-重量比。通过增材制造技术制备的多孔结构还能够有效吸收冲击能量。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-025-19618-y

近日，重庆文理学院、重庆大学高性能结构增材制造重点实验室的研究团队在Scientific Reports 期刊发表了“Effect of topological configuration on mechanical properties for 3D printed porous structures”一文，深入探讨了由拓扑构型决定的3D打印多孔结构力学性能。本期谷.专栏将对这一研究进行简要分享。

近年来，多孔结构已在多个领域获得广泛应用，包括骨植入物、能量吸收装置、散热系统和轻量化结构等。例如，近期研究进展表明，基于三周期极小曲面拓扑的多孔结构在潜热储能系统中表现出优于传统金属泡沫的传热性能。

多孔结构通常具有大密实应变、高比强度以及平滑的平台应力区等特征。特别值得一提的是，增材制造技术赋予多孔结构三大优势：设计自由度大、功能多样化、性能响应均匀且可重复。该技术能够制造从梁基结构（如体心立方和面心立方）到面基结构（如三周期极小曲面结构）等各种复杂几何形状。此外，自然界启发的多孔结构（如蜂窝结构）也通过增材制造得到了深入研究和应用。这些结构能够产生丰富的力学响应，从传统的拉伸主导和弯曲主导行为，到更复杂的突弹跳变机制。

几何排列，如拓扑构型和梯度策略，已被证明是影响多孔结构力学性能的主要因素。研究团队选择体心立方（BCC）构型来验证经典构型演变对力学性能的影响。他们设计了一种具有中心节点偏移的多孔结构，并通过有限元分析和准静态压缩实验讨论了其等效弹性模量、屈服强度、峰值强度、变形行为和能量吸收能力。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

 多孔结构设计

作为一种规则排列的晶体材料，BCC多孔结构的力学性能已得到广泛研究，例如梯度多孔结构和TPMS多孔结构。由于成形过程中固体的变形或不同的热处理方法，会存在点、线、面等缺陷，这些缺陷严重影响多孔材料的力学性能。因此，本文讨论了晶体材料中单点缺陷的力学性能以及多孔结构在其原始位置附近的演变。研究团队基于BCC构型进行了多孔结构的变形设计，如图1所示。可以看出，传统BCC的中心节点位于立方体中心，即坐标（2,2,2）处。基于传统BCC的构型，变形BCC构型的中心节点向上或向下偏移，即坐标（2,2,3）和（2,2,1），立方体的其余部分保持不变。进而，通过组合设计了具有节点偏移的组合变形BCC结构，如图2所示。

图1 晶格结构设计：(a)多孔结构框架；(b) BCC拓扑构型；(c) 中心上移；(d) 中心下移。
图2 传统BCC和组合变形BCC的多孔结构。

为避免结构性能出现意外，研究团队设计了三种不同的体积分数，包括5%、10%和20%。

 材料与制造

为获得以上变形设计的多孔结构，研究团队采用了已广泛应用于汽车、航空航天和医疗植入体的增材制造Ti-6Al-4V（TC4）合金材料进行增材制造。图4 为3D打印样件。

图4 具有节点变形的3D打印多孔结构样件。

 有限元分析与压缩试验

本研究采用基于Johnson-Cook损伤模型的有限元分析法，通过HyperMesh软件建立0.2 mm C3D4四面体网格模型，在Abaqus环境中进行准静态压缩仿真；同时使用CMT5105型万能试验机，按照ISO 13314:2011标准以1.5 mm/min恒定速率对SLM成型的多孔结构开展实验验证。

图7 仿真与实验应力-应变曲线对比（体积分数 V = 5%）
图8 不同体积分数下多孔结构的应力-应变关系曲线：(a) V = 5% (b) V = 10% (c) V = 15% (d) 等效弹性模量对比
表3 设计结构的压缩性能

研究结果表明，仿真与实验的应力-应变曲线变化趋势高度吻合，其中仿真中的应力下降源于Step 8时杆件飞脱，而实验曲线的阶梯式上升则归因于破碎结构的逐层压实机制。变形行为分析显示，传统BCC结构呈现45°方向剪切破坏，而CDBCC结构则表现出逐层破坏特征——前者在Step 5发生破坏，后者提前至Step 4。值得注意的是，虽然CDBCC结构更早发生破坏，但TrBCC构型展现出更优的力学性能，该现象可通过Step 3时二者应力状态的差异获得合理解释。

图9 压缩状态下多孔结构的变形行为

 能量吸收

多孔结构在压缩载荷下通常会出现较长的平台应力区，这一特性使其特别适用于能量吸收领域，如缓冲吸能和防护装置等。因此，研究团队重点分析了CDBCC结构的能量吸收特性，结果如图10所示。数据显示：在5%、10%和15%体积分数下，CDBCC结构的能量吸收能力分别比传统BCC结构提高31.57%、72.42%和27.23%。其中，10%体积分数下CDBCC多孔结构的吸能性能甚至优于经过TPMS优化的BCC多孔结构。这一发现为提升BCC构型多孔结构的能量吸收性能提供了新的思路。

图10 两种结构的预测曲线

研究团队基于实验数据进一步拟合预测了能量吸收特性随体积分数变化的规律。结果表明，具有节点偏移设计的新型结构比传统BCC具有更优异的能量吸收特性。这为开发具有高比刚度、高能量吸收特性的轻质多孔结构提供了新的设计选择，也为多孔结构的优化设计奠定了研究基础。

 结论

本文系统研究了晶格拓扑构型变化对多孔结构力学性能的影响，采用计算机辅助设计方法在相同体积分数下构建了新型多孔结构，并通过仿真分析和实验测试对其力学性能进行了深入研究，为开发具有高比刚度、高能量吸收特性的轻质多孔结构提供了新的设计思路，也为多孔结构的性能优化提供了重要的实验数据和理论依据。

论文引用
Li, Y., Ma, X. Effect of topological configuration on mechanical properties for 3D printed porous structures. Sci Rep 15, 35509 (2025). https://doi.org/10.1038/s41598-025-19618-y

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工业产品在面向增材制造设计（DfAM）的过程中，拓扑优化作为底层关键技术为增材制造提供了无限的可能性，但是拓扑优化技术仍然具有局限性。

根据目前成熟的拓扑优化软件的功能来看，大部分拓扑优化功能依赖特定工况，主要是静态和动态线性结构分析，对于非线性静态工况少数软件可以进行拓扑优化，比如GENESIS所采用等效静载荷(ESLs)方法。更多的工况问题只能通过工程师进行等效处理和变换，这就对工程师的基础理论和工程经验有着较高的要求。

本期谷.专栏，将分享一个基于WORKBENCH平台中GENESIS模块拓扑优化功能，探讨惯性释放如何影响支架拓扑优化的案例。

© 安世亚太

 拓扑优化

拓扑优化（Topology Optimization）是一种根据给定的工况、约束条件和响应目标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。实践中往往是在目标保持足够机械性能的同时从零件中去除尽可能多材料。相比其他结构优化方法，拓扑优化是效率最高的优化方法。

拓扑优化技术存在的时间很长，但是由于拓扑优化得到的复杂设计无法通过传统制造方法来实现，因此拓扑优化没有得到广泛的应用。但是通过增材制造可以解决拓扑优化后复杂结构的制造问题，因此拓扑优化技术越来越得到重视，开辟了一个全新的工程领域。

 支持混合优化的拓扑优化工具

GENESIS是一款广泛应用的结构优化软件，它将有限元求解器和高级优化算法集成于一体，工程师可以进行多种类型的优化设计，使结构设计方案满足轻量化要求、增材制造工艺要求等。作为专业级的结构优化软件，GENESIS涵盖了工程所需的各类结构优化类型，包括拓扑优化、形状优化，尺寸优化，形貌优化，自由尺寸优化和自由形状优化等，并支持混合优化。其主要特点如下：

内置快速，可靠，准确的有限元求解器和优化求解器，优化效率更高。相比同类软件，GENESIS通常只需很少的迭代次数，即可达成优化目标；

提供全面的拓扑、形状、形貌、尺寸、自由尺寸和自由形状优化类型；

提供SMS特征值求解器的求解速度是传统Lanczos方法的2-10倍。SMS能够求解超过2000万自由度的问题；

专门提供BIGDOT优化算法，可以求解超过300万个设计变量的复杂大规模优化问题；

专门提供针对ANSYS、Abaqus、Creo、Solidworks等的插件模块，可直接集成在以上软件中使用，这些用户几乎无需学习培训即可掌握；

可支持调用ANSYS、LS-DYNA等外部软件作为求解器，扩展求解性能。

 拓扑优化分析流程

以集成在ANSYS平台为例，在WORKBENCH平台调用静态结构模块和GENESIS模块进行有限元分析和拓扑优化分析，流程如下图：

图1 拓扑优化流程图

1）有限元分析：给定的模型为一个实体块，材料默认为结构钢，沿Y方向-677.23N载荷如图2，在实体块的四个底角施加远程质量点参数设置为453.59Kg，关闭惯性释放功能，开启弱弹簧选项。

图2 实体块

从结果来看由于是设置为集中载荷，产生局部应力集中，其一侧只有一个负荷。负载从实体的中心偏移，所以它单独不会产生一个对称拓扑结构设计。后续GENESIS施加制造约束将用于强制拓扑产生对称支撑。

图3 有限元分析结果应力云图

2）拓扑优化分析：采用GENESIS模块进行拓扑优化分析，设置拓扑优化区域如图4，其中设置初始质量保留参数为10%，设置制造约束为沿YZ面和XY面对称。

图4 拓扑优化区域设置

设置拓扑优化目标：应变能最小（刚度最大），优化约束设置为质量保留不高于10%，然后进行求解得到基于变密度法的等值面结果：

图5 拓扑优化结果

根据分析结果可以发现：虽然没有设置约束但是这种状态依然可以求解，并没有出现刚度矩阵奇异的情况，四个底角约束虽然不是固定约束，但是通过弱弹簧实现支撑效果，平衡内外力，所以并没有出现刚体位移，完全可以求解。

3）在有限元分析设置中移除远程质量点，进行完全惯性释放，关闭弱弹簧选项，然后进行拓扑优化分析，GENESIS设置不变得到结果如下：

图6 完全惯性释放拓扑优化结果

在ANSYS中惯性释放，利用自身的质量施加一个加速度来提供惯性载荷，惯性载荷平衡外部载荷来消除刚体位移。可以发现拓扑优化后的结构在四个底角是没有支撑材料分布的，这种结构类似于航天领域的火箭头部结构，受力状态也与其类似，近似在真空的情况下底部提供推力的结构。

 总结

本期案例是基于WORKBENCH平台中GENESIS模块拓扑优化功能探讨惯性释放如何影响支架的拓扑优化。在拓扑优化过程中，在给定的优化目标和约束条件下，通过求解将得到最优的质量分布和几何结构。然而，实际工程中为静态等效荷载的冲击荷载不一定要用在具有约束的结构上。在无约束结构上的任何荷载的反馈都是来源于结构质量分布。在拓扑优化方面，可以采用静载荷的惯性释放法对自由结构进行优化，而不需要额外的约束。

惯性释放属于一种典型工况，普遍出现航空航天，汽车，船舶等工业领域，例如在处理汽车转向节强度仿真分析中普遍采用此方法，受制于制造工艺，针对转向节等传统铸件的减重优化也是轻量化设计的一个难点，尤其新能源汽车，飞行汽车等对零件质量较为敏感的产品对此有较大的需求。

目前部分企业已经开始探索和布局面向DfAM零部件设计的技术，相信未来增材打印和拓扑优化会用于更多的领域，突破现有的技术框架，制造出更多创新性产品。

l 作者
胡世鑫，工学硕士，安世亚太DfAM赋能业务部结构仿真工程师。
擅长结构强度耐久和动态冲击领域，有丰富的仿真工程经验，目前从事增材产品的拓扑优化，结构仿真工作

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在骨科植入物方面，多孔结构可以根据它们的孔隙连通性（开放和封闭孔隙）以及孔隙拓扑和尺寸的规律性（随机和非随机）进行分类。有序的孔形状满足细胞向内生长所需的互连性，从而促进与宿主组织的整合。具有非随机设计的多孔结构涉及基于点阵晶格和 TPMS 的晶胞。为了满足机械生物学构象和多孔植入物与宿主骨组织的可靠整合，需要优化诸如孔形状、孔径、孔隙率、孔互连性和微拓扑表面特征等物理特性。本期，3D科学谷与谷友一起来洞悉3D打印带镂空结构的植入物的现状、趋势与机遇。

金属点阵结构制造技术© 3D科学谷

小细节、大机遇

根据3D科学谷，在3D打印应用领域，点阵结构被应用于多种场合，包括提高热交换器和散热器的热交换效率，提高阻尼材料的抗震缓冲能力，优化骨科植入物的生物学和力学性能，降低航空航天零件的重量等等。 小点阵，大作用，点阵成为学习3D打印的MUST。

 随机拓扑

随机多孔结构（称为泡沫）涉及具有随机形状和尺寸分布的孔，尽管它们的孔隙分布是随机的，但制造参数可用于控制孔隙形状和孔径。还通过计算机建模和数学算法为 AM增材制造工艺来设计随机结构。

图：随机结构支架的设计策略。(A) 基于连接设计体积中的随机点的孔隙度设计。(B) (i) 二维 (2D) 和 (ii) 三维 (3D) 中的 Voronoi-tessellation (iii) 基于 3D Voronoi-Tessellation 的设计步骤和 (iv) 控制随机几何形状的不规则性。

© Elsevier，美国化学学会

请注意，天然骨微结构由具有不同厚度和不均匀孔径的支柱组成。为了更好地模拟骨骼的自然结构，许多研究都集中在通过在空间上改变晶胞大小、支柱厚度和孔隙率来设计功能分级的异质随机植入物。

为了设计具有受控属性的随机模型，引入了一种基于自顶向下设计方法和概率球的新 Voronoi 方法。在所提出的模型中，随机结构的孔隙率可以逐渐横向变化，这可以通过孔隙球的梯度分布来说明。梯度机械性能也可以通过在 AM 过程中改变激光参数来实现，从而产生具有不同厚度分布的支柱，骨样随机结构也可以受到天然骨组织的启发。

 晶格结构

晶格结构被定义为包含在 3D 空间中重复对齐的互连支柱或板阵列的复杂架构。在金属植入物结构中加入晶格结构使构造物具有接近周围骨组织的机械性能。此外，晶格结构构成了相互连接的孔结构，允许细胞向内生长和更好的组织整合。3D科学谷了解到具有简单几何形状的晶格结构已经使用传统的制造技术制造，例如水射流切割、铸造、化学镀和电沉积。但是，这些技术非常耗时、昂贵，并且无法制造高分辨率的复杂结构。

众所周知的晶格拓扑的示例包括立方、八面体和截断。然而，使用金属增材制造技术，可以以较低的成本和时间制造高分辨率和复杂形状的薄支柱和晶格几何形状。尽管金属增材制造具有非常小的特征（例如，在 LPBF 的情况下小于 100–150 μm），但制造的结构与 CAD 模型的偏差通常足够低，可以忽略或通过后处理进行补偿并且通常实验数据可以通过模拟得到可靠的验证。晶格结构可以通过各种 CAD 软件（如 Solidworks、Meshmixer、MATLAB 等）进行建模，晶格网络的建模允许在整个相对密度范围（零到 100%）内设计支架，而不会失去互连性。

然而，3D科学谷了解到目前设计具有大量图案化晶胞的高度合并晶格结构的灵活性较差，计算成本很高。同样，缺乏兼容的有限元软件来分析具有大晶胞代表的模型。

图：增材制造金属晶格结构的示例和机械性能。(A) 著名的格网络拓扑示意图。(B) 单元格用红色矩形标记，孔径在每个晶格设计中用蓝色圆圈表示。(C) (i) 立方体和 (ii) 金刚石晶格的应力-应变曲线。(iii) 各种常规晶格结构的屈服强度和弹性模量随相对密度的变化而变化。经参考许可转载。 (D) (i) 拉胀和 (ii) 常规晶格的应力-应变曲线。

© Elsevier，美国化学学会

基于晶格的结构的物理特性很大程度上取决于孔特性的设计（即孔径、孔形状和相对密度）。已经进行了几项研究来说明几何参数对晶格结构的机械性能和渗透性的影响。就孔隙率而言，很明显，渗透率随着孔隙率的增加而增强，而抗压强度和弹性模量与孔隙率成反比。需要优化方法和设计图来解决这种相互冲突的设计要求。格子支柱的机械性能与其失效机制相关。例如，立方体和截断立方体晶胞类型被归类为以拉伸为主的结构，其中压缩破坏以逐层坍塌机制为主。在这些结构中，内部连杆的方向与加载方向一致。相反，像金刚石这样的晶胞类型由相对于加载方向倾斜的对角支柱组成。这些结构被称为以弯曲为主的结构，其中压缩破坏通常源于穿过多孔结构的渐进剪切带。

一般来说，与以拉伸为主的结构相比，以弯曲为主的孔隙形状具有较低的弹性模量和抗压强度，这种行为归因于金属在轴向变形与剪切变形下的强度通常较大。使用钛基支架的有限元模拟，还通过实验和数值证实了相对于金刚石更大的立方孔份额强度。一般来说，相对密度较低的多孔结构的渗透率对孔隙形状更敏感。

请注意，传统的块状材料以及大多数晶格结构通常以正泊松比为特征。最近的趋势强调拉胀超材料（负泊松比），其中结构在受到压缩载荷时横向收缩。拉胀多孔结构为多孔植入物结构的设计提供了许多机会。在一项研究中证明了在相同的相对密度下，与传统结构相比，使用 LPBF 基于粉末床的激光选区熔化金属3D打印技术制造的拉胀结构显示出更高的断裂前应力和更高的极限抗压强度。

 三重周期最小曲面

三重周期最小曲面 (TPMS) 是平滑的无限曲率曲面，平均曲率为零，将 3D 空间划分为两个共连续相。与晶格结构类似，基于 TPMS 的设计允许调整机械性能以使植入物与宿主组织相匹配，并且还允许组织向内生长以获得更好的完整性和耐用性。可以在数学上定义各种孔隙形状、孔隙率和晶胞尺寸并将其应用于每个晶胞，这些晶胞可以沿全局轴进行图案化。

图 . 通过金属增材制造 (AM) 技术制造的基于三周期最小表面 (TPMS) 的支架的机械特性。(A) 具有各种相对密度的固体和基于薄片的陀螺拓扑。(B) (i) Schwarz P (P)、陀螺仪 (G) 和金刚石 (D) 晶胞几何形状。孔径以黄色显示。(ii) 相对压缩模量随孔隙率变化和 (iii) 表面积随晶胞尺寸变化。(C) (i) P、G 和 D 支架的失效机制。(ii) 弹性模量和抗压强度随相对密度而变化。(iii) 具有不同晶胞尺寸的 D 面支架的应力-应变曲线。

© Elsevier，美国化学学会

与晶格网络类似，不仅可以设计孔隙形状，还可以设计相对密度和比表面积来调整 TPMS 设计中的机械性能，TPMS 实体网络也可以分为以拉伸为主的（例如 P 面）和以弯曲为主的（例如 G 面和 D 面）。因此，TPMS 结构的失效机制可以通过 45° 剪切带形成（主要在弯曲主导结构中）或逐层塌陷（主要在拉伸主导结构中）来表征，这些结构的典型压缩应力-应变曲线遵循典型多孔材料的曲线，其中它以弹性线性区域开始，随后是对应于内层逐渐失效的波动。

具有直支柱和急转弯和拐角（没有统一的过渡表面）的立方支柱格子在增材制造工艺中表现出较差的可制造性（特别是对于大晶胞尺寸和低体积分数的水平支柱）。这些特征还可能导致长悬垂特征的热变形。3D科学谷了解到TPMS 结构由于其光滑的表面和均匀的曲率而增强了增材制造能力，可以实现自支撑制造。此外，与具有光滑弯曲表面的 TPMS 支架相比，具有尖角的立方形支柱晶格显示出更高的应力集中，有研究发现TPMS 结构与晶格结构相比具有优越的机械和生物学特性。

另一项研究显示，与晶格结构相比，基于 TPMS 的支架显示出更高的渗透性，此外，体外研究证实，与传统盐浸（随机设计）制造的支架相比，开放的、相互连接的 TPMS 结构显示出改善的细胞向内生长。

l 参考资料：“Additively manufactured metallic biomaterials”

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图1: 拓扑优化在骨科植入物的应用

© 3D科学谷

拓扑优化成就更好的植入物

美敦力耿芳表示，很多3D打印标准化植入物获得了FDA的认证，3D打印技术在制造多孔结构、拓扑优化结构等复杂结构中具有优势，可以说3D打印技术在标准件制造的应用也是必然趋势。

拓扑优化旨在为一组目标在某些约束下获得设计的最佳结构布局。优化过程在身体的自然器官中不断发生。骨重塑是骨组织工程的核心方面，使骨的内部结构适应外部负荷条件。这个过程需要重新定向主要应力路径，以最大限度地提高机械效率，从而实现最佳结构。

根据3D科学谷的了解拓扑优化技术的另一个新兴用途是减轻多孔结构的各向异性行为。使用曲率壁厚调整算法，结合有限元方法，各向异性架构可以重塑为它们的各向同性等效物。

大多数拓扑优化算法都基于伪密度设计变量（考虑材料的机械模量）；因此，它们可以很容易地针对骨支架和植入物设计进行定制。由此产生的拓扑结构通常由复杂的特征组成，这些特征很难或不可能通过传统制造工艺进行生产。

幸运的是，只要遵守某些制造限制，增材制造工艺就能够生产具有复杂特征的零件。因此，拓扑优化和增材制造之间存在协同合作关系，可实现灵活的设计解决方案。

多年来，多项努力表明，大多数使用 AM增材制造拓扑优化的设计都集中在头部和骨盆区域的植入物上，有多种拓扑优化方法或方法，例如双进化结构优化（BESO）、固体各向同性材料惩罚模型（SIMP）和水平集方法（LSM）。

在这些方法中，SIMP 是迄今为止文献中使用最多的方法，因为它具有鲁棒性、适用于多种物理场的范围以及实现相对简单。

骨 – 植入物相互作用中的一个常见不良现象是应力屏蔽，其中与周围骨区域相比更硬的植入物会导致不准确或低效的骨重塑。拓扑优化是实现此类植入物解决方案的出色数学工具，因为流行的方法是基于最小化顺应性（最大化刚度）同时显着减少材料体积。

 固体各向同性材料惩罚模型

固体各向同性材料惩罚模型（SIMP）方法是生物医学应用中拓扑优化最广泛使用的方法。SIMP 方法是一种基于梯度的方法，它利用幂律关系将材料属性建立为伪密度设计变量的函数。设计域被离散为有限元，并为每个元素分配了一个伪密度设计变量。集体伪密度变量成为设计变量。本质上，离散模型中有限元的数量定义了设计变量的数量。大多数算法都基于最小化结构的柔顺性（最大化刚度），同时对材料体积施加约束。

 加权多目标拓扑优化

由于相关生理区域进行的若干日常活动，许多植入物在生物机械环境下承受各种机械载荷。每个载荷都被视为一个载荷工况，产生独特的应变能或柔顺函数。因此，该算法中的应变能函数与载荷一样多。为了针对负载优化这些植入物，加权多目标拓扑优化能够为应变能函数分配不同的权重，将更大的权重赋予与更高功能相关的负载。

图 2. 用于骨替代物设计的拓扑优化方法。(A) 显示了针对四种不同切除类型的多目标拓扑优化骨盆假体。该图显示了所有优化假体的提取表面、优化的植入物和虚拟组件。

 基于应力的拓扑优化

在某些情况下，优化是通过最小化植入物的最坏状态（即故障）来完成的。此外，由于在使用不同的目标函数导出最佳拓扑时，应力奇异性是可能的，因此基于应力的方法可能很有吸引力。考虑到弹性失效的理论，一些研究人员试图使用最大变形能量理论（von Mises）来描述失效准则。

通过基于应力的拓扑优化模型设计的颞下颌关节假体如图 2B 所示。

 填充和周边控制策略

为了模拟骨骼结构的静脉和多孔性质，可以通过重新制定问题陈述和/或引入一些约束来修改拓扑优化算法。

在许多努力中，通过 SIMP 方法 或其他方法已经证明了传统拓扑优化方法的使用。重要的是，所采用的方法结合了种植体-骨相互作用的生物力学考虑，以维持获得的最佳拓扑结构的相关性。

l 参考资料：“Additively manufactured metallic biomaterials”

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本期的大型轻量化机械臂3D打印砂模铸造案例，为铸造企业利用最佳设计准则，开展大型铸件的3D打印砂模设计提供了一定启示。

3D打印砂模铸造的大型机械臂
来源：安世亚太

 案例背景

案例中是一个通过3D打印砂模铸造的近一米长的机械臂。开发团队由nTopology、宾夕法尼亚州立大学、Flow 3D 和 Humtown 的工程师组成。他们创建了一个端到端的数字化铸造工作流程–从零件优化到可制造性设计，最后是制造。

3D打印砂模铸造技术带来的优势：

• 3D 打印的砂模和型芯有助于创建合理的浇冒口系统，从而可以制备具有更少内部缺陷的高性能的金属零件，零件的材料强度最高可提高15%。
• 增材制造消除了对工艺装备和铸造模具的需求以及相关的几何限制。这有利于生产具有复杂几何形状的高性能的优化零件。
• 3D 打印和其他数字制造技术有助于铸造企业的数字化转型，减少对人工的依赖。

3D 打印砂模和型芯进行砂型铸造的局限性：

• 零件设计仍需遵循铸造工艺和 3D砂型打印系统的限制。这些设计考虑包括壁厚、件截面的变化和壁与壁之间的间隔。
• 目前可用的工业砂型3D打印机是有限的，而且3D打印模具的制造成本也相对较高。作为参考，砂型3D打印的成本约为每立方英寸（0.0000164立方米）0.1美元，而传统的铸造厂对一个模具的收费通常在 1-2万美元之间。
• 与每一项新技术一样，获得砂型3D打印知识和设计技能的途径仍然有限。难以找到最佳设计案例和设计准则，这阻止了工程师和制造商最大限度的利用这项新技术。

《3D打印在铸造领域的价值与应用趋势》白皮书©3D科学谷

本案例研究旨在解决最后一点。通过将每个决策中的设计方法和实际考虑因素文件化， 让铸造企业、设计师和工程师更容易的使用这项技术。

 拓扑优化的机械臂

金属铸造模具组件的分解试视图

开发团队将拓扑优化等先进的设计技术与只能通过增材方式制造的先进铸造特征（包括浇口、浇道和冒口）相结合。使用这种方法，该团队设法达到以下几个目标：

• 将零件的重量减少40%；
• 避免常见的铸造缺陷；
• 直接 3D打印整个砂模；
• 在一个星期内制造出该零件。

该项目的第一步是优化机械臂的几何形状。利用拓扑优化软件，该团队将零件的重量减少了40%，从 240 磅（约109千克）减少到 165 磅（约75千克）。同时仍然满足规定负载条件的功能要求。

拓扑优化是一种仿真驱动的设计技术，通常用于航空航天和汽车工程领域，优化目标通常是刚度最大化和重量最小化。nTopology软件中的的自动光顺处理和模型重建功能使该团队能够快速、轻松地进行设计修改。

nTopology 拓扑优化过程概述—从原始设计到最终导出CAD主体。

当然，工程团队在设计阶段就考虑了该零件的可制造性。最终的金属零件用铝铸造时重 165 磅（或约 75 千克），其边界尺寸为 39″ × 16″ ×16″（或 1.0 m × 0.4 m × 0.4 m）。机械臂的尺寸限制了团队生产这个巨大零件的选择。

按照传统的制模方法（使用木模）会带来一些复杂性问题。由于几何形状的复杂性，设计团队将不得不做出许多妥协，从而降低了零件的性能。

 优化铸件的设计

为了展示该技术的能力，开发团队决定直接3D打印整套模具。通常情况下常见的生产方式是只3D打印模具的一部分，如模具的型芯或其他关键的部位。

这一决定使得他们能够优化模具的其他关键特征，如浇口、浇道和冒口的几何形状和位置。这些优化将使金属铸件具有最小的内部孔隙和较高的材料性能。

该模具是宾夕法尼亚州立大学和Flow3D 公司合作设计的。该团队在设计过程中考虑到了两个主要的设计要求：

• 熔融金属必须尽可能顺利地填充型腔。研究表明，低于0.5米/秒的流速是必要的， 以尽量减少湍流，并减少由于氧化层脱落和孔隙造成材料缺陷的可能性。
• 冒口必须在零件之后凝固。不均匀凝固是造成内部缺陷、收缩、开裂和零件变形 的另一个常见原因。出于这个原因，铸造后将被加工掉的部分必须最后凝固。

3D打印模具是分体制造的，然后在浇注熔融金属之前进行组装。这种螺旋状的浇口设计无法用传统模式制造。

为了确保在填充模具时不引入湍流，开发团队重新设计了浇注系统和冒口。他们使用了一个螺旋形的浇口，而不是一个向下的浇口，选择了具有球形或半球形的冒口，而不是圆柱形的冒口。

这种优化的浇口和冒口的几何形状确保了熔融金属的流动速度低于所需的阈值，并且熔融金属会均匀地凝固。此外，这些特征只能使用增材制造技术来制造， 因为使用传统的制备工艺不可能制备出这样复杂的浇冒口系统。

铸造过程模拟帮助团队确保速度流量保持在0.5毫米/秒的临界值以下

为了确定最佳零件浇铸方向和流道、浇口和冒口的最佳位置，开发团队使用铸造模拟软件进行了多次设计迭代。仿真的目的是优化冒口性能，最大限度地减少孔隙率，并验证浇口流速。仿真阶段确保了该部件一次成功制备，并将开发时间从几个月减少到几周。

3D打印工艺独特的直接生产能力使这些先进的模具设计方法得以应用。而且能够产生显著的性能改进。研究表明，与传统方法相比，使用这种模式生产的铸件具有：

• 内部非金属夹杂物总含量为0.02%，缺陷减少99%。
• 使用相同材料铸造时，强度可提高 8%-15%。

铸造件性能的提高使这一工艺对于制造高性能或定制部件的铸造厂来说最为适用。

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知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关3D打印在铸造领域的应用，请关注《3D打印在铸造领域的价值与应用趋势》白皮书。

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根据3D科学谷的市场观察，一家叫Burloak的公司最近宣布已获得波音公司的批准，可以根据波音BAC 5673 规范增材制造 AlSi10Mg 铝部件。

实现航空航天的轻量化设计，重量减轻 60%。© Burloak

增材制造结构件的产业化之路

通过3D打印那些具仿生学特征的复杂零件具备天然的优势，3D打印的一些特殊优势，包括减轻重量，或者通过仿生学、拓扑优化将原先多个零件进行了大幅度的重新设计，从而实现结构一体化。该支架采用现有的铝材设计，并应用拓扑优化来产生功能设计，成功地将购买飞行比从 5 倍降低到 1.06，而不会影响结构完整性。

Burloak 为许多 OEM 机身制造商和 1 级和 2 级飞机部件供应商提供结构和非结构部件，这些部件采用铝、钛、镍和不锈钢合金制成。

而Burloak通过波音的批准标志着资格认证程序的完成，其中包括波音公司对 Burloak 能力的严格评估。根据3D科学谷的了解，这其中Burloak与波音一起制定了明确的规范，该规范已经证明了使用增材制造生产飞行部件的稳健、可重复的流程。这一里程碑也标志着增材制造在航空航天领域的重要性日益增加，代表着在通往更绿色航空未来的道路上向前迈进了一步。

© Burloak

根据3D科学谷的了解，Burloak为增材制造、材料开发、高精度 CNC 加工、后处理和计量提供工程和设计服务。Burloak 与航空航天、汽车和工业市场中最具创新性的公司合作，快速将其最具挑战性的零件设计转变为大规模增材制造。Burloak已通过 AS9100D、ISO9001 注册，并获得加拿大受控商品认证。

 结构件登台

增材制造（AM）的零部件用于安装在飞机上，已经有多年的历史了，但其作用主要局限于非关键部件，如管道系统和内饰部件。即使是用于发动机部件（如著名的GE Leap发动机燃料喷嘴），其对零部件的性能要求主要是热传导而不是机械性能。而根据3D科学谷的市场观察，波音在将3D打印结构件推向量产应用方面，做出了积极的努力。

不过零件的认证是关键…

另外一个案例是为波音商用飞机制造机身的Spirit AeroSystems公司，已经安装了为波音787飞机通过增材制造的钛结构部件，该部件是一个用于通道门锁的配件。

这个配件支架似乎不是会导致飞机故障的那种关键部件，不属于那种会导致飞机失败时无法飞回家的部件，但这个部件非常重要，如果这个部件出故障了，飞机还能够安全无碍的飞回家。

飞机行业倾向于认证零件设计并坚持使用该设计贯穿整个飞机的生产寿命周期。增材制造的这些更大胆的设计，至少对于结构件来说，必须等待机会，为这种的零件认证是一个充满挑战的过程。

根据3D科学谷的了解，Spirit AeroSystems公司制造的门锁配件是由Norsk Titanium专有的快速等离子沉积（RPD）工艺进行3D打印的。Norsk Titanium公司的快速等离子沉积™技术用于飞机结构件研发，通过技术研究与改进以及一系列严格的测试，最终于2017年2月获得了首个3D打印钛合金结构件的FAA适航认证。

令人喜悦的是FAA这些监管机构已经看到增材制造的优势，虽然他们知道3D打印可以实现更好的性能甚至带来更安全的飞机。关键是要找到一种方法，而了解3D打印过程所产生的所有重要特性，以及这些特征带来的结果，是充满挑战的。在这方面，ASTM打造了一系列培训课程帮助业界更好的理解与规划FAA等监管机构的要求，3D科学谷将在后期的ASTM系列培训课程“精粹会”中为业界重点介绍。

根据3D科学谷的了解，Burloak和波音公司目前正致力于将 BAC 5673 规范应用于现有和未来组件的多个项目。我们可以期待的是，下一步更多的制造方案提供商通过与波音、空客这样的企业的合作，将更多的增材制造零件推向产业化。

l 来源：3D科学谷内容团队

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DfAM（Design for Additive Manufacturing, 简称增材设计），是应用于增材制造工艺的可制造性设计，可实现对增材制造过程中的零件、组件甚至系统进行重新设计，已经成为基于增材制造思维的先进设计与智能制造的全新设计范式。

DfAM的核心技术是仿真驱动的优化设计技术，包括创成式设计技术、拓扑优化设计技术、点阵设计技术、参数优化技术、仿真分析技术等。

其中，拓扑优化应用于产品的概念设计阶段，用于优化材料的合理分布以及获得最佳传力路径。本期谷.专栏文章将要分享的即为DfAM 的底层通用技术-拓扑优化设计。

实现真正的正向设计模式

拓扑优化设计属于概念设计，基于减材设计理念，通过计算可挖除的材料区域来确定最佳的材料分布，基于拓扑优化可以形成非常富有想象力的颠覆性设计方案，使得全新的设计思想和创新型的设计方案能够通过增材制造得到实现。

拓扑优化可以帮助确定结构的最佳材料分布，在进行拓扑优化的时候可以考虑结构静力学或者动力学条件、多工况、多目标、多约束条件、以及工艺约束条件等，基于已知的设计空间确定刚度最大、质量最小或者体积最小等优化目标，通过计算材料内最佳的传力路径、优化单元密度确定可以挖除的材料，从而获得结构设定区域内最佳的材料分布。拓扑优化革新了传统的功能驱动的经验设计模式，实现了性能驱动的生成式设计，成为真正的正向设计模式。

广义的拓扑优化还包括其它结构优化技术：形状（形貌）优化和尺寸优化。形状优化以有限元模型节点为对象，节点位置是设计变量，通过节点位置的变化优化结构外形；形貌优化是形状优化的一个特殊情况，可以生成加强筋。尺寸优化以有限元模型单元为对象进行优化，用于薄壁或者细长结构的优化，其设计变量是单元的截面尺寸，如梁横截面尺寸或薄壳厚度等。

拓扑优化仅给出材料分布的概念设计，还需要针对拓扑优化结果进行处理。后拓扑结构设计借助于专业的模型处理技术，最大限度地保留拓扑优化的结构特征，考虑美学、力学甚至装配要求，将其转换为可用的设计方案并形成有效的CAD模型。后拓扑模型处理的关键步骤包括：

• 拓扑优化结果输出STL格式；
• 在后拓扑处理环境中进行片体模型处理，如清理、修复、光顺、调整、分析等；
• 将STL模型转换为CAD实体几何模型；
• 基于实体模型直接建模操作，如拉伸、移动、建模等；
• 当有参数优化需要时，对关键尺寸进行参数化。

应用案例

l 振动台动圈骨架优化设计

电动振动台模拟产品在制造、组装运输以及使用执行阶段所遭遇的各种环境，用以鉴定产品是否具有忍受环境振动的能力，被广泛应用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车以及家电等行业。

动圈骨架是电动振动台的关键部件，其动力学特性的优劣将直接影响到振动台系统的一阶竖向共振频率的高低，从而影响到振动台工作频率的上限和非线性失真大小，因此一阶竖向共振频率是设计振动台的技术关键。某型号振动台动圈原始设计如图1所示。振动台动圈结构的优化目标是在保证骨架质量不增加的前提下，其竖向一阶共振频率尽量提升，其余性能指标（如强度、Q值、横向振动、台面振动均匀度等）与原设计相当或优于原设计。

图1 振动台动圈骨架原始结构© 安世亚太

针对此动圈骨架优化策略的实现手段是：

首先在ANSYS Workbench里对动圈结构的原设计模型进行有限元分析，以获得原设计结构的相应性能评价指标，并以此分析为基础，利用拓扑优化软件GENESIS对动圈骨架原设计结构进行拓扑形貌优化，以获得具有最佳材料分布和最佳传力路径的动圈骨架结构的概念设计；

然后基于拓扑优化的材料分布确定参数化建模方案并利用参数优化软件optiSLang对参数化模型进行参数优化，完成最终的详细设计；

最后，对最终的详细设计进行有限元分析，提取相应的性能评价指标值，并与原设计的相应性能评价指标进行比较，最终确定优化设计是否满足要求。

拓扑形貌优化的目标是动圈骨架结构的竖向刚度最大，质量最小，约束是变形不大于原设计在相同载荷条件下的变形。其优化结果如图2所示。拓扑形貌优化结果可以给出后续设计的改进方向。从拓扑形貌优化的结果可以看出：骨架的腹板中央和面板和外围环板区域应该减薄；腹板外侧和骨架底部环板区域应该加厚。具体减薄、加厚的范围以及板材尺寸则需要通过参数优化获得。经过参数优化和几何模型重构后的最终设计如图3所示。

图2 拓扑形貌优化结果© 安世亚太
图3 振动台动圈骨架的最终设计模型© 安世亚太

通过对振动台动圈的性能指标进行评估，并与原始结构的性能指标进行对比，可以得出，通过优化获得的最终设计在质量减小的情况下，其性能全面优于原始结构，特别是其主要性能指标（一阶竖向共振频率）提高了11%。

图4 振动台动圈骨架优性能验证© 安世亚太

l 载荷分散结构优化设计

某集中载荷作用在载荷分散结构中心，并通过连接结构扩散传递到主结构完成集中载荷的扩散。为了更高效地实现集中载荷的扩散，对该结构进行设计优化，要求在光敏树脂材料用量不超过30ml的基础上，使得该结构的集中载荷极限承载能力达到最大。

图5 载荷分散结构的拓扑优化流程© 安世亚太
图6 载荷分散结构的拓扑优化及设计验证© 安世亚太

利用ANSYS Topology对该结构进行拓扑优化，获得了材料分布，并进行了后拓扑结构设计、重构，形成初始设计方案，基于光敏树脂的基本参数确定合理的应力应变曲线，并基于该应力应变曲线，通过非线性材料失效模拟对设计方案进行极限承载能力和失效模式验证，根据仿真结果不断地对设计方案进行迭代改进，得到的设计方案其极限承载力达到7693N，经过试验验证，它的实际加载力达到了7508.9N，仿真结果的误差仅为2%，经过进一步的设计及迭代，最终设计方案的极限承载能力达到9191.6N。其拓扑优化流程、拓扑优化结果、后拓扑模型重构以及设计验证如图5、6所示。

拓扑优化将在增材制造领域发挥更大作用

增材制造的优势是显而易见的：它可以实现传统工艺手段无法制造的设计，比如复杂轻量化结构、点阵结构设计、多零件融合一体化制造等。增材制造带来了全新的设计可行性，也需要匹配全新的设计理念来发挥增材制造的优越性，即DfAM (面向增材的制造设计)。DfAM设计的核心技术是仿真驱动的优化设计，而拓扑优化是其中重要的一环。本文简要阐述了拓扑优化设计流程，并通过两个实例验证了拓扑优化在产品设计中的重要作用。随着DfAM 在增材制造领域的广泛应用，拓扑优化也会在其中发挥更大作用。

l 文章来源：安世亚太

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© nTopology

更紧凑、更好

 什么是散热器？

我们通常提到的散热器是一种用于冷却电子元件的热交换器。由于其制造简单，成本低，尺寸小和散热可靠而被广泛使用。在过去的几十年中，在结合微型和纳米技术发展的电子设备的小型化方面已经付出了很多努力。因此，电子学的散热技术和增强散热片的热性能变得越来越重要。

根据3D科学谷的了解，可以通过修改空间或流体域的特性来增强散热器的散热性能。电子系统的小型化给设计在有限空间内运行的高效系统带来了额外的挑战。增强热传递的有效方法是修改几何形状，而3D打印-增材制造成就产品复杂性的这一特点为散热器的优化设计打开了新空间。

在本文中，使用nTopology对传统几何进行了优化，以解决上述挑战，并采用具有功能性且适用于金属增材制造的几何形状进行设计。

3D打印可以实现：

- 增强从电子元件的传热；

- 在不影响传热效率的情况下减小散热器的尺寸；

- 通过在设计中加入仿生技术来增强散热效果；

- 设计优化

传热系数与表面粗糙度相关，当表面粗糙时，对流传热系数较高。一条思路是通过关注于增加的表面积和表面粗糙度，以改进散热器的设计。

根据3D科学谷的了解，通过nTopology软件可以为LPBF（基于粉末床的选区激光熔化）技术制造的散热器提供一种有趣的设计优化途径。在本期案例中，所有样品均由AlSi10Mg和铜合金制成。

通过广泛的数值参数研究，本案例对用于发光二极管（LED）灯的被动冷却的拓扑优化设计进行了研究。这些设计针对垂直方向进行了优化，并且与点阵鳍设计以及简单的鳍设计进行了比较。这种零件是使用AM（增材制造）进行小批量生产的理想选择。优化过程有利于将材料放置在设计零件的外边界上，以实现更多的散热。
案例中头灯中的LED散热器通过AM增材思维设计使其紧凑而又不影响散热器的性能。除了上述结果之外，通过增加表面粗糙度还可以进一步提高效率。温度梯度满足散热片传递的要求，并且温度保持与传统方法略有相同。

▲图1：nTopology设计可提高LED散热片的散热效率。

在这个案例中，设计优化主要体现在：

- 拓扑优化应用于LED灯的被动冷却散热器的设计。

- 优化的拓扑结构为被动冷却设备的设计提供了新的见识。

- AM增材思维使用TPMS（三重周期最小表面）结构，该结构可为散热器产生优化的温度梯度，并提供自然对流的湍流路径。

根据3D科学谷的了解，在散热器中，所谓的人工表面粗糙度，是指任何具有足够规则性且专门设计用于增强热传递的表面图案。与肋粗糙和凹陷的表面相比，氧化皮粗糙表面的传热增强令人惊讶地良好。这证明了通过在表面光洁度上引入适当的变化，仍有改善传热的空间。

▲图2：拓扑设计优化有助于增加表面粗糙度以提高热传递率。

 热分析

进行热分析可以确定组件在不同温度和条件下的行为，分析结果和仿真技术旨在帮助更好地管理电子电路中的散热。决定冷却机制时要考虑的因素包括半导体的封装特性，所需的工作条件以及散热特性。通常可以从制造商的数据表中获得此信息。

自然对流冷却适用于散热量较小的电子元件。但是，对于冷却组件，由于产生热量，可能需要将冷却器与热管和风扇结合在一起的各种冷却技术的组合。

▲图3：显示电子元件中温度梯度的分析图像。

 ▲图4：汽车中的LED大灯。

 结论

本案例研究了在制造用于电子冷却的扁平和翅片散热器时，通过LPBF（基于粉末床的选区激光熔化）技术制造的散热器表面粗糙度以及优化的设计对流传热增强的影响。

最终，采用铝材料的AM增材思维（DfAM）设计的表面积比传统设计提高了27％。与传统设计相比，AM增材思维（DfAM）设计中的热变化高达130C（板载芯片附近的压降）。

更多内容，请参考3D科学谷发布的上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》下篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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对于3D打印这一数字化特征尤为明显的制造技术，软件可以说是解锁3D打印产业化潜力的基础。本期，结合Digital Alloys公司总结的软件信息，3D科学谷与谷友一起来领略那些影响3D打印的软件。

3D打印领域的软件。来源：Digital Alloys

 软件与数据相互进化

在生产环境中为了有效实施3D打印，需要用于设计、仿真、预处理、任务分配、制造、检查和质量管理的软件工具。

l 设计（CAD）

工程师和设计师使用计算机辅助设计（CAD）软件以数字方式定义零件的三维几何形状。在大多数情况下，用于设计3D打印零件的CAD软件与常规制造所使用的软件相同。CAD软件的公司包括Dassault Systemes-达索系统，Siemens-西门子，PTC和Autodesk-欧特克等。对于某些应用，使用针对增材制造的特点进行优化的表面和结构，这优化的方式包括填充复杂的胞元结构，空心特征和添加数字纹理等。在这方面诞生了一些针对性很强的软件包括欧特克的netfabb, Materialise，nTopology和Zverse等。

乔布斯(Steve Jobs) 曾经说过，21世纪最好的创新是将生物学与技术相交叉。工业制造领域中有很多零部件或机械的设计都是从生物学中得到的灵感，比如说潜艇的设计是从海豚体形或皮肤结构中得到的灵感….这样的例子在工业领域还有很多很多。

那么，为什么我们需要将生物学的概念引入制造中呢？大自然创造的生物结构巧妙而复杂，人们如何将这些大自然的作品“复制”到工业制造中呢？

日益发展的智能化设计软件与3D打印技术为我们提供了一条创造仿生结构的捷径。市场上存在一类特殊的设计软件，称为“创成式设计”以及“拓扑优化”（GD / TO）软件，可定义加载方案，设定边界条件和设计约束条件下优化零件几何形状，以实现所需的性能。该软件依靠计算机迭代与仿真来完善零件的几何形状，将CAD设计规则与来自计算机辅助工程（CAE）工具的仿真相结合。

创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比，可以模仿自然结构发展的方式，创造出最强大的结构，同时最大限度地减少材料的使用。

例如，人体骨骼具有复杂的内部和外部特征，由硬质外皮（骨皮质）骨形成刚性外层，但还需要允许血管这样脆弱的组织穿过骨骼内部的蜂窝状结构。这种蜂窝材料由胶原纤维组成，具有令人难以置信的抗拉强度和抗压强度。因此，蜂窝结构已经被大量需要轻量化的结构所采用，从飞机涡轮叶片到生活中不起眼的纸板箱中。在所有这些应用中，蜂窝使得零件更坚固和更轻。

创成式设计是一个人机交互、自我创新的过程。根据输入者的设计意图，通过”创成式”系统，生成潜在的可行性设计方案的几何模型，然后进行综合对比，筛选出设计方案推送给设计者进行最后的决策。

“创成式设计”以及“拓扑优化”GD / TO软件的领先提供商包括Altair、PTC的Frustum、Autodesk、西门子的Solid Edge ST10和Paramatters等。

l 模拟（CAE）

产品上市时间的缩短、研发周期的缩短，以及新产品发布速度的提升使制造业用户面临着持续增长的创新压力，当今产品的复杂性和多样性也在日益提高，这给产品研发带来了压力。

通过传统试错的方法，已经无法在今天的全球竞争中保持领先的地位，因为这种方式费力、费时并且昂贵，而通过计算机辅助工程（CAE）仿真的力量驱动设计、管理复杂性、预测潜在的问题，已成为产品设计、生产过程，甚至是产品运营过程中不可或缺的环节。

根据安世中德工程仿真高级咨询专家的寇晓东博士，一方面增材制造为设计带来的自由度，将仿真的应用提到了产品设计的前端，从设计最早期就发现并解决设计缺陷，增材制造为正向设计提供了工艺基础；另一方面仿真技术能够激发增材制造的潜能。

在3D打印的情况下，CAE不仅用于优化设计，而且还用于预测制造过程、优化制造过程和开发新材料。由于3D打印涉及的物理复杂问题，CAE软件可以帮助缓解质量问题的许多潜在原因。根据安世中德的技术总经理包刚强，增材制造仿真的应用价值体现在改善、减少和开发几个方面。改善，包括改善金属增材制造设计流程、对工艺过程的了解、机器生产效率、材料利用率、可重复性和质量；减少，包括减少打印失败，打印时间，不合格零件，后处理，试错，设备维护和对环境的影响；开发，包括开发新材料，新机器，新参数，个性化微观结构和期望的材料属性。

可以说仿真对于3D打印至关重要，渗透到从建模到前馈控制，再到过程控制、材料开发等3D打印工艺链的方方面面。

CAE的子类包括分析结构和热行为的有限元分析（FEA），以及用于分析流体流动的计算流体动力学（CFD）。FEA和CFD在建模和优化AM过程中都至关重要。

随着3D打印-增材制造技术的不断成熟和应用，通过CFD和FEM在制造前预测性能、优化设计并验证产品行为，零件经过结构流体特性拓扑优化、结构拓扑轻量化以及尺寸优化设计之后通过增材制造技术加工出来。CFD、FEM技术与3D打印-增材制造技术相得益彰，互相成就，共同推动零件实现性能升级。

除了用于改善整体打印质量外，CAE工具在帮助优化诸如打印速度以及能量和材料输入等参数方面也起着重要作用，这些参数是3D打印经济学中的重要因素。CAD和CAE的结合变得越来越紧密无缝，建模与仿真的无缝结合正成为大势所趋，在这方面，欧特克（Autodesk）2019年11月就宣布了与工业仿真软件企业ANSYS 之间的下一步合作关系，双方将建立起设计软件与仿真软件的无缝互操作性，为制造用户带来革命性的设计与工程敏捷性。这种合作可以实现增强创成式设计等新的自动化流程，而自动化的流程将缩短产品上市时间，使多个工程团队可以更为顺畅的地一起工作。

l  制造处理（CAM）

计算机辅助制造（CAM）是使用软件来控制诸如机床之类的制造设备。CAM软件将CAD和CAE数据作为输入，并创建机器指令（G代码），该指令通过编程以执行精确的加工过程。在3D打印领域，CAM过程涉及五个关键步骤：

确定零件构建方向：在零件中确定零件方向的最佳方法取决于多种因素，例如精度和表面光洁度要求、工艺、支撑结构等。CAM可以建议最佳构建方向，但通常也需要用户输入。

支撑策略：支持零件有很多不同的方法，最佳的支撑结构取决于其几何形状，过程，材料和其他变量。在大多数CAM软件中，此步骤在很大程度上是自动化的。

加工余量：为了达到所需要的高表面光洁度和精度要求，通常需要预留一定的加工余量。这些余量通过机加工等后加工过程被去除。

零件布局：某些3D打印过程可以一次打印很多零件，分布在整个基板上，也可以堆叠在z轴上。CAM软件有助于嵌套零件，从而使每次构建的零件数量最大化。

加工策略：完成上述所有步骤并选择了打印参数后，CAM软件将生成G代码，该代码将发送至打印机以执行打印过程。

目前更高级的工业增材制造用户通常利用第三方处理工具来获得更多控制和效率。这种独立的CAM软件可以在处理计算要求高、复杂、高分辨率的构建中发挥作用。还允许将一个API与一组不同的3D打印设备一起使用。这些软件包括Netfab（Autodesk），Magics（Materialise）和Dyndrite。

其中，来自西海岸的创业公司Dyndrite的用于增材制造的新3D几何内核使用原始的数学表示形式（B样条曲线，NURBS和B-rep数据）来提供更好的增材加工路径。通过不依赖STL这样的数百万个三角形来定义打印，Dyndrite的解决方案避免了“数据膨胀”，并可以提高打印零件的质量。这意味着通过消除需要修理STL的耗散动量的步骤，从而提高了可重复性并提高了生产速度。

l 工作流程（MES / ERP / PLM）

制造工作流程软件已在常规供应链中使用了数十年。该软件的类别包括制造执行系统（MES），企业资源计划（ERP）和产品生命周期管理（PLM）。

走进任何3D打印公司，您将发现同样的挑战：很多企业还在使用Excel表格管理整个制造过程，那些包含关键数据的Excel电子表格被存储在各个团队成员系统的本地硬盘上。唯一集成到业务的其余部分是公司服务器上的文件共享。虽然很多企业正在使用企业资源规划（ERP）系统，为公司的每个部门提供可视性，但ERP却是“跳过”车间加工环节的。

然而，随着3D打印成为制造领域不可或缺的一部分，Excel电子表格的方法很快变得难以为继。乍一看3D打印似乎只是一个步骤，但是加工中的“黑匣子过程”实际上充满了离散的操作和数据收集机会，包括打印准备，构建模拟，实时监控和分析，跨机器衔接以及设施的调度，后处理要求等等。

虽然3D打印工艺有着其特定的需求和具体的挑战，但是如果用户真的愿意接受3D打印作为一种制造技术，它就不能作为一个孤立的孤岛来运作。

正如3D科学谷在《一张图看懂国际3D打印产业链》中所提到的，在过去几年中，随着3D打印技术走向工业生产，除了设计软件和仿真软件之外，与3D打印相关的软件中出现了两个关键的新类别：工作流程和安全软件。工作流程软件对增材制造工艺来说同样重要。制造企业在将增材制造技术纳入生产的过程中，对工作流程软件的需求将不断增加，这类软件可以管理增材制造过程中所涉及的生产步骤。工作流软件的前景在过去五年中不断发展，现在许多软件供应商都提供了管理增材制造工作流的解决方案。

Materialise、AMFG、3YourMind、Authentise、Link3D、Oqton和其他软件提供商正在通过重新定义传统MES来支持管理3D打印工作流程各个方面的软件产品来满足3D打印的自动化管理需求。

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在图像语音识别、无人驾驶等人工智能领域的运用层面，图形处理器 （GPU）正迅速扩大市场占比，而谷歌专门为人工智能研发的TPU则被视为GPU的竞争对手。当与创成式设计技术结合使用时，GPU加速仿真的效率增益将进一步放大。

创成式设计与仿真。来源：PTC

 算力赋能算法

l 创成式设计与仿真的结合

创成式设计（Generative Design）是一种设计过程，其中人工智能会针对工程师设置的参数和功能目标优化设计。工程师设置载荷，材料约束和边界条件，确定其功能目标，通过创成式算法优化设计空间内的材料布局，以满足这些工程师设置的目标并最大化性能。

创成式设计（Generative Design）是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个（优化）模型。拓扑优化（Topology Optimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析，然后对模型变形或删减来进行优化。

很多人以为创成式设计是拓扑优化或程序建模的一个分支。但实际上，创成式设计是是一个人工智能驱动的流程，利用云来通过探索成千上万的建模可能性来推动创新设计，而不是简单地从原来的设计方案中探索如何减少材料。

创成式设计将激发设计师通过手动建模不易获得的思想灵感，创造出拥有不寻常的复杂几何结构设计作品。3D打印技术由于可以将复杂的设计转化为现实，注定已成为创成式设计的“好伙伴”。

不过通常创成式设计出来的结果对应着很多种不同的设计，如今，产品设计师可以在其三维CAD建模环境中直接运行仿真。通过现代计算机的GPU功能加速，这些仿真使设计人员能够以交互的步伐做出明智的决策，而无需等待分析人员对设计进行网格划分并运行有限元分析（FEA）。

在这方面，欧特克（Autodesk）2019年11月就宣布了与工业仿真软件企业ANSYS 之间的下一步合作关系，双方将建立起设计软件与仿真软件的无缝互操作性，为制造用户带来革命性的设计与工程敏捷性。这种合作可以实现增强创成式设计等新的自动化流程，而自动化的流程将缩短产品上市时间，使多个工程团队可以更为顺畅的地一起工作。

l GPU加速创成式与仿真结合

考虑到行业技能的差距，GPU加速仿真是增强创成式设计的基础。GPU加速仿真背后的数学模型可以显示出许多变量如何影响设计，包括非线性静应力、振动容差、流体动力学和热传递等。当然，这些变量并不是孤立存在的。GPU加速仿真正在迅速接近可以评估这些变量的协同相互作用如何影响设计性能的地步。

“算力是引擎的马力”，创成式设计对应的产品设计通常十分复杂，而仿真对影响产品设计周期的意义重大，如何使团队可以更快地进行迭代，并避免进行昂贵的原型设计步骤和后期设计变更，GPU加速创成式与仿真的结合，一切正在开始。

当使用创成式方法进行设计优化时，遗传算法会迭代调整设计并在给定新配置的情况下模拟性能。以这种方式，出现了更高效和高性能的设计配置。GPU处理能力越大，系统运行模拟的速度就越快，从而使创成式的设计工具能够针对更多变量进行优化同时并行开发更多解决方案。

与基本拓扑优化相比，创成式设计的主要优势之一是能够针对不同的制造技术进行优化。创成式设计与仿真结合的力量不止于制造优化，这种方法还可以围绕各种功能目标进行优化，包括材料、强度、传热、流体动力学和重量。而且，从纯粹的商业角度来看，附加到实时市场信息的创成式设计方法可以考虑成本约束。最后，创成式式设计会找到能够最有效地平衡这些相互约束目标的解决方案。

GPU加速的仿真使经验不足的工程师可以快速测试他们的设计，而创成式设计则通过允许他们快速优化他们的设计而走得更远。模块化创成式设计可以进一步提高新手工程师的生产力，在模块化创成式设计中创建模块来解决通用问题。

通过自动找到解决复杂设计挑战的解决方案，创成式式设计可以大大提高生产率并缩短设计周期，与仿真结合在一起可以提高运营效率，加速创新并更快地将其产品推向市场。

 3D科学谷Review

l GPU对制造过程的支持

根据3D科学谷的市场观察，GPU的应用不仅体现在仿真领域，随着3D打印机的尺寸，分辨率，精度和准确性的提高，驱动该过程所需的数据量也随之增加。拿惠普（HP）的MJF 3D打印机所处理的3D文件来举例，文件大小经常超过4.5 TB，而这些文件对应的构建体积为380 x 284 x 380毫米。如果构建体积增加50％，则该文件大小将增加3.375（1.5 ^ 3）或总计15.2 TB。在如此巨大的文件情况下，使用旧版或仅CPU的软件解决方案来处理这种数据量已变得站不住脚，一切正在改变。

GPU功能强大、灵活、可扩展且价格合理。不幸的是，除了渲染漂亮的图片外，大多数都没有用于计算几何中。在制造过程中利用GPU的数据处理和计算能力意味着可以在计算机和3D打印机中处理大量文件。用户不需要每次构建都需要TB级的制造数据，只需要有关如何生成零件的指令，现在就可以在3D打印机中进行计算。

l  GPU对数字孪生体技术的支持

不仅是处理打印前的数据，在打印过程中，原位过程监控和反馈是一个发展中的领域，主要应用在金属PBF 3D打印技术（粉末床熔化）。随着用户开始期望更多的过程控制，他们需要更复杂的工具。根据3D科学谷的市场观察，当前同时使用反馈系统和结合了模拟软件功能的“前馈”系统正在兴起，例如Ansys和Altair正在研究在构建过程中调整打印参数。将此数据驱动决策与3D打印机中的GPU计算能力相结合，数字孪生体技术使得复杂的3D打印过程变得轻松，从而减少故障，提高零件质量并更智能地使用材料。

l GPU对高通量3D打印文件的支持

随着数据驱动决策的发展，高通量数据的处理变得尤为重要，在这方面，根据3D科学谷的市场观察，美国西海岸的创业公司Dyndrite的用于增材制造的新3D几何内核使用原始的数学表示形式（B样条曲线，NURBS和B-rep数据）来提供更好的增材加工路径。通过不依赖STL这样的数百万个三角形来定义打印，Dyndrite的解决方案避免了“数据膨胀”，并可以提高打印零件的质量。这意味着通过消除需要修理STL的耗散动量的步骤，从而提高了可重复性并提高了生产速度。

Dyndrite的增材制造工具包（AMT）可以导入本地CAD文件以保持零件质量，并简化CAD到打印工作流程。来源：Dyndrite

软件正在吞噬整个世界，Dyndrite的解决方案也是基于GPU的，根据3D科学谷的市场判断，GPU与CPT的应用结合将渗透到从建模仿真到数字孪生体技术，再到过程控制等3D打印工艺链的方方面面，而由GPU这种算力所支撑的人工智能算法将统治3D打印的方方面面。

3D科学谷相信GPU与CPT的应用结合将为3D打印行业带来巨大的新效率和机遇。很快，3D打印行业会发现，一家3D打印企业最好团队中有一些人可以编写代码，否则这样的企业将变得寸步难行。

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