增材制造結構設計的案例
直播預告-增材制造結構設計-切片-工藝優化仿真全流程解決方案
精彩直播預告
近年來增材制造廣泛應用于航空、汽車、醫療、電子等眾多行業，但增材制造工藝過程中存在零件變形難以控制；殘余應力難以測量和評估，極易造成開裂、刮刀碰撞、收縮線等風險；增材制造缺陷（球化，孔隙度等）普遍的問題。傳統的工藝改進和優化主要依靠工藝試驗和人員經驗，不僅對人員技術要求高而且試驗成本也很高。除此之外還有燒結模型的非線性補償難度較大、數據準備流程復雜、數據文件太大等問題存在。
針對以上問題，海克斯康工業軟件重磅推出增材制造工藝全流程解決方案，從前端高自由度、輕量化的結構設計、多類型支撐創建、打印件定向，到中端工藝分析與優化（鋪粉工藝分析、送絲送粉工藝分析、缺陷分析、粘結劑噴射成型分析、機加分析），至后端的數據準備（切片、填充等），都有海克斯康專業、高效、可靠的軟件方案為客戶解決實際問題。
本期海克斯康直播講堂請到了技術專家徐蕾為我們帶來增材制造結構設計-切片-工藝優化仿真全流程解決方案，從功能介紹到軟件操作到實際案例，逐一為我們講解海克斯康解決方案如何為客戶解決實際問題，歡迎預約報名！
展開 設計仿真 | 面向增材制造工藝的打印數據準備解決方案
01 引言
增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM），通常也被稱為3D打印，是一種采用逐層堆疊或者燒結，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的新興制造技術，它與傳統的切削或去除材料的制造方法截然不同。增材制造的核心概念是通過逐層堆疊或添加材料，逐漸構建三維結構，而不是從一個塊材料中削減或去除材料以獲得所需形狀。針對這一技術，除了打印設備，軟件技術中的增材制造結構設計、工藝仿真、制造工藝數據處理、打印數據準備等也是該技術的核心關鍵。
02 增材制造工藝方案
海克斯康增材制造工藝方案涵蓋了整個增材制造工藝流程，從前端結構輕量化設計、創成式設計、拓撲優化，實現增材結構的設計，到增材制造結構定位、支撐創建、定位和排布、打印策略、打印過程仿真、層切片數據可視化、成本評估，實現增材過程的參數準備，還涵蓋了增材制造工藝仿真優化，預測打印過程的變形、開裂、收縮線、卡刮刀、應力集中等，通過變形補償自動優化，幫助實現一次打印成功。補償優化后的結構，可以再次進行結構的優化設計，也可以進行打印參數準備，實現增材制造工藝參數的閉環。幫助用戶解決3D打印過程中的問題。
圖：海克斯康增材制造工藝方案示意
03 金屬增材制造工藝打印數據準備
海克斯康旗下的CADS Additive GmbH與Simufact 增材制造工藝仿真、Apex Generative Design創成式設計等軟件形成完整的增材制造方案，幫助用戶解決增材制造過程中的各個階段面臨的問題，其中CADS Additive的AM Studio提供了面向金屬增材制造工藝打印參數準備方案，可實現輔助零件定向、支撐創建、定位和排布、打印過程仿真、打印策略、層切片數據及可視化層切片數據、成本評估等。
展開 拓撲優化技術在航天航空結構增材制造設計中的應用
在航天航空領域，復雜多變的天氣對飛行器的結構設計、材料和制造等提出了更高的要求。迫切需要通過制造技術的創新實現結構的輕量化、結構一體化以及提高產品生命周期性能的制造技術。
增材制造俗稱3D打印，顛覆了傳統制造技術，可以精密地制造出復雜形狀的零件，從而實現了零件"自由制造"。而且相比傳統制造業，產品結構越復雜，增材制造的優勢也越明顯。
無疑，無論是實現輕量化、結構一體化還是以提高產品生命周期性能為目標，設計都發揮著至關重要的作用。本期增材專欄將通過案例展示如何以產品性能驅動為設計導向，實現飛機結構件的優化。
本案例展示了拓撲優化在開放性設計中的分析流程及方法，主要工作可總結為三點：
1、采用拓撲優化方法得到仿生形態的結構構型，以此作為概念構型；
2、基于拓撲優化的結構進行幾何重構，以此作為輕量化設計的初始模型；
3、結合有限元分析對上述重構后的幾何體進行迭代修改，實現輕量化設計。
加快設計與驗證的循環
大型整體鈦合金結構在現代飛機結構中的應用越來越廣泛，同時一些結構具有復雜的形狀或特殊性。傳統制造方法無法滿足航空企業對新型號的快速低成本研制的需求。而增材制造技術可以制造超大、超厚、復雜型腔等特殊結構。
因此，增材制造技術不僅可以滿足航空結構的復雜性要求，還可以降低生產成本并完成定制化的快速生產。增材制造技術實現了設計革命，徹底解放了設計工程師的思維，實現了“所想即所見”。
采用增材制造技術，快速準確地制造并驗證設計思想在飛機關鍵零部件的研制過程中已經發揮了重要的作用。
展開 考慮增材制造工藝的結構設計簡介
增材制造的一大優勢是可以制造復雜結構的產品，使很多我們之前所熟悉的產品變得跟原來的設計相比，零件更少，材料更少，具備相同甚至更好的力學性能，可以說增材制造給設計師們賦予了更多的設計自由度。
但，由于增材制造與傳統機加方式的原理不同，為“堆積”材料的工藝。因此，在進行結構設計時需要考慮支撐結構，熱歷史，打印時長，成本，成型質量等各種因素。由此，增材制造設計方法（Design for Additive Manufacturing (DfAM)）應運而生。它是考慮增材制造工藝而開展結構設計的科學方法。
一、支撐
- The more support material you have the more cost due to printing time
支撐材料越多，打印時間成本越高
- The more support material you have the more material cost you will have
支撐材料越多，打印材料成本越高
- The more support material you have the more time for the finish is needed
支撐材料越多，打印完成時間越長
由此可知，支撐是影響增材制造的重要因素，合理設置支撐結構十分必要！
那么為什么要有支撐？支撐有什么用？怎樣設計支撐？
圖1 不同懸垂角添加支撐對比圖
作用一：支撐懸臂結構，保證打印順利進行
如圖1所示當零件具有超過一定的懸垂角度的結構時，則需要支撐結構來支撐成型，保證良好的質量，否則不能成功打印。
展開 
DfAM專欄 | nTopology—面向增材制造的高效設計平臺
nTopology是一款面向增材制造的高效設計平臺，平臺預置了大量增材制造常用的設計工具包，工程師通過調用若干個預置工具包、或自主開發定制的工具包，建立一個工作流，實現復雜幾何結構的參數化設計。nTopology集合了的強大幾何建模和仿真分析功能，并充分考慮增材制造的工藝特點，能夠幫助工程師快速掌握面向增材制造的設計方法，充分發揮增材制造帶來的廣闊自由度，同時可重復使用的工作流使得設計流程自動化，大大提高設計效率。
展開 設計仿真 | 軸承座創成式設計到增材制造工藝仿真應用
Simufact
增材制造（“3D打印”）技術集先進制造、智能制造、綠色制造、新材料、等技術于一體的新技術。增材制造技術從原理上突破了復雜異型構件的技術瓶頸，實現材料微觀與宏觀的可控成形，從根本上改變了傳統“制造引導設計、可制造性優先于設計、傳統經驗設計”的設計理念，真正意義上實現了創成式式設計、拓撲優化設計的轉變，為航空、航天、機械、汽車、電子等以及新產業的發展開辟了巨大空間。那么針對創成式增材結構設計到增材工藝一體化評估，海克斯康提供了完整的解決方案。
01
創成式設計解決方案
海克斯康的創成式設計軟件MSC Apex Generative Design具有增材制造工藝做結構設計與優化功能，一改傳統拓撲優化軟件操作復雜、需多個平臺（多個人員）數據傳遞、結構強度不足等弊端，堅持做具有高度自動化、操作簡單、以應力為導向的創成式設計平臺，創建光順、輕質、一體的“有機”結構設計，真正做到為增材制造提供質量好、重量輕、結構美觀的產品設計。
海克斯康的金屬增材制造工藝仿真解決方案Simufact Additive更是在國內外增材制造加工領域享有很高的知名度，作為為全球客戶服務的增材制造的仿真解決方案，Simufact Additive可對粉床熔融、粘結劑噴射、機加等增材制造工藝進行仿真分析。Simufact Additive軟件主要工作內容是在3D金屬打印前，通過對打印過程、掃描策略、工藝參數、基板螺釘卸載、線割、熱處理、HIP、支撐移除等過程仿真，預測打印變形、打印開裂、收縮線、卡刮刀等制造缺陷，軟件具有支撐優化、變形補償自動迭代優化功能，幫助用戶優化打印變形，做打印可行性分析、成本評估等，通過多種仿真分析方法，幫助客戶快速對比不同的打印方案，實現一次打印成功，降低試錯次數，從而節省成本。
展開 多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（上篇）
四種常見的結構包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫，點陣結構。其中點陣的外觀非常類似于開孔泡沫，但不同的是，點陣的變形是拉伸為主，而不是彎曲。
點陣結構的材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。并且帶來各種熱力學特征，點陣結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統中。
那么如何解決增材制造點陣結構設計中遇到的CAE分析問題？本期谷.專欄特別推薦《多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（上篇）》 。
專為點陣結構仿真分析的Lattice Simulation
隨著增材制造領域中3D打印技術的快速發展，增材點陣結構在航天航空、船舶、汽車、體育和醫療等行業得到了廣泛應用。點陣結構作為一種新型的結構設計，除輕量化特點外，同時還具有優良的比剛度/強度、阻尼減震、緩沖吸能、吸聲降噪以及隔熱隔磁等功能性特點。由于其含有大量復雜的微觀結構，包括胞元類型和幾何尺寸等參數，導致建模和仿真計算工作量巨大，傳統有限元分析已經無法適用。因此，經過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德團隊開發出了一款專業用于增材點陣結構仿真分析的軟件，即Lattice Simulation。
本文分為上、下兩篇，上篇結合應用案例，淺談基于多尺度算法開發出的這款點陣結構分析工具，是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對Lattice Simulation和ANSYS Discovery進行分析對比，以說明多尺度算法在點陣結構分析中的準確性。
圖1 點陣結構
Lattice Simulation是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在ANSYS add-in擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。
展開 面向增材制造工藝的打印數據準備解決方案
引言
增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM），通常也被稱為3D打印，是一種采用逐層堆疊或者燒結，直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的新興制造技術，它與傳統的切削或去除材料的制造方法截然不同。增材制造的核心概念是通過逐層堆疊或添加材料，逐漸構建三維結構，而不是從一個塊材料中削減或去除材料以獲得所需形狀。針對這一技術，除了打印設備，軟件技術中的增材制造結構設計、工藝仿真、制造工藝數據處理、打印數據準備等也是該技術的核心關鍵。
增材制造工藝方案
海克斯康增材制造工藝方案涵蓋了整個增材制造工藝流程，從前端結構輕量化設計、創成式設計、拓撲優化，實現增材結構的設計，到增材制造結構定位、支撐創建、定位和排布、打印策略、打印過程仿真、層切片數據可視化、成本評估，實現增材過程的參數準備，還涵蓋了增材制造工藝仿真優化，預測打印過程的變形、開裂、收縮線、卡刮刀、應力集中等，通過變形補償自動優化，幫助實現一次打印成功。補償優化后的結構，可以再次進行結構的優化設計，也可以進行打印參數準備，實現增材制造工藝參數的閉環。幫助用戶解決3D打印過程中的問題。
圖：海克斯康增材制造工藝方案示意
金屬增材制造工藝打印數據準備
海克斯康旗下的CADS Additive GmbH與Simufact 增材制造工藝仿真、Apex Generative Design創成式設計等軟件形成完整的增材制造方案，幫助用戶解決增材制造過程中的各個階段面臨的問題，其中CADS Additive的AM Studio提供了面向金屬增材制造工藝打印參數準備方案，可實現輔助零件定向、支撐創建、定位和排布、打印過程仿真、打印策略、層切片數據及可視化層切片數據、成本評估等。
展開 多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（下篇）
四種常見的結構包括蜂窩，開孔泡沫，閉孔泡沫，點陣結構。
點陣結構的材料特點是重量輕、高強度比和高特定剛性。并且帶來各種熱力學特征，點陣結構的超輕型結構適合用在抗沖擊/爆炸系統、或者充當散熱介質、聲振、微波吸收結構和驅動系統中。
那么如何解決增材制造點陣結構設計中遇到的CAE分析問題？谷.專欄在前不久特別推薦了《多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（上篇）》 。本期，谷.專欄將推薦《多尺度算法在增材制造點陣結構仿真分析中的應用（下篇）》。
多尺度算法在點陣結構分析中的準確性
上篇介紹了增材點陣結構仿真分析軟件 Lattice Simulation 的多尺度算法，以及 Lattice Simulation是如何高效、快速地幫助用戶解決增材點陣結構設計中遇到的CAE分析問題的。下篇將對 Lattice Simulation 和 ANSYS Discovery 進行分析對比，以說明 Lattice Simulation 多尺度算法在點陣結構分析中的準確性。
圖 1 點陣結構
上篇中提到，Lattice Simulation 是一款用于增材點陣結構分析的工具，具有用戶自定義和內置點陣結構設計兩種方式，已集成在 ANSYS add-in 擴展工具中。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質化技術對點陣結構進行有限元分析。并且提取非均質化點陣結構的等效材料參數，在均質化等效實體模型宏觀力學分析后，可以通過局部分析對胞元結構進行詳細的應力校核。
圖2 點陣結構分析工具功能
圖3 Workbench點陣結構模塊分析流程
ANSYS Discovery 作為新一代的仿真分析應用工具，其最大特點是能夠即時得到分析結果。
展開 增材制造結構設計必須知道的14項形位公差
設計時，須將零件的形位公差按照規定的標準符號標注在圖樣上來傳達信息。
形位公差的標準化
隨著全球化的發展，生產領域的國際分工與協作不斷深化，然而各國之間相互聯系存在困難以及生產習慣不同，該如何解決提高生產精度、還要確保互換性來降低成本的難題呢？形位公差的國際標準亟待統一。
1950年
工業化國家向ISO組織提出統一形位公差概念及文字表示方法的“ABC提案”
1969年
ISO組織正式發布形位公差標準ISO/R1101-Ⅰ:1969《形狀和位置公差 第Ⅰ部分 概論、符號、圖樣表示法》
1978-1980年
ISO組織推薦了形位公差檢測原理和方法；中國正式重新加入ISO組織，并于1980年頒布形狀和位置公差基本標準
1996年
ISO組織成立了專門的ISO/TC213“產品幾何技術規范(GPS)”技術委員會，負責形位公差及其圖紙符號國際統一化工作。
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經過多國的長期共同努力，終于有了這國際統一化的14項形位公差符號。
形狀公差
1.直線度
直線度，即通常所說的平直程度，表示零件上的直線要素實際形狀保持理想直線的狀況。直線度公差是實際線對理想直線所允許的最大變動量。
圖樣示例1：在給定平面內，公差帶必須在距離為0.1mm的兩平行直線間的區域
圖樣示例2：在公差值前加注記號φ、則公差帶必須在直徑0.08mm的圓柱面內的區域
2.平面度
平面度，即通常所說的平整程度，表示零件的平面要素實際形狀，保持理想平面的狀況。
展開 基于Altair Inspire的結構設計與增材制造一體化研究
1.題目：
基于Altair Inspire的結構設計與增材制造一體化研究
概述：拓撲優化代表著當今結構設計的發展方向，通過該技術能得到滿足使用工況下的最優構型，達到輕量化的目的。增材制造技術的提出有效地解決了拓撲優化的難加工問題。本文主要通過結合增材制造技術和拓撲優化方法，利用Altair Inspire軟件，針對兩個具體研究對象，制定了結構創新設計和增材制造的設計制造流程。
2.課題要求:以某支撐結構優化設計為應用背景，根據零件結構和典型載荷工況，對結構進行減重。
3.課題內容:拓撲優化之后的結果難以采用傳統的加工工藝即減材制造方式加以制造，增材制造的提出有效的迎合了拓撲優化的需要，并且Altair公司旗下的Inspire是一款專業的仿真軟件，其介紹如圖1所示。
圖1 拓撲優化軟件
因此，針對一無人機支撐結構進行拓撲優化，首先提取出幾何模型進行建模，然后在Altair Inspire中劃分設計空間和非設計空間，選取底部八個角點作為固定支撐，頂部受到由機體傳遞的載荷，通過結構分析模塊得到等效應力云圖和等效應變云圖，并將其作為拓撲優化問題的比較基準，如圖2所示。
展開 
研討會 | NX應用于增材制造、復合材料、機械協同設計
誰應該參加此次活動：
國防行業客戶研發及設計人員：復合材料設計、增材設計、增材制造、機械結構設計、產品研發
信息化與數字化開發人員
企業數字化建設管理人員
NX作為西門子數字化工業軟件的主要產品，在國防行業中具有廣泛的客戶群體，在航空航天、軍電、兵器、船舶等行業客戶的產品設計及研發中發揮著重要作用。隨著用戶對NX軟件的了解和深入應用，以及國防行業對新技術及前言技術應用的不斷深入，我們將結合NX對當前新技術的支持與發展方面，通過本次網絡研討會的方式，向客戶展示我們在這些新技術方面的進展和應用情況。
通過本次研討會，您將了解到：
NX在復合材料設計及應用方面的解決方案以及成功案例；
NX在不同軟件間的協同設計解決方案；
以及基于我們最新發布的NX2206版本的在增材制造解決方案方面功能的增強和更新等。
我們誠摯地邀請您參加本次線上研討會，共同探討NX在國防行業先進技術及未來發展方向。
西門子Xcelerator，為您數字化轉型提速！
活動信息
時間：2022年7月21日（星期四）14:30-16:10
地點：線上會議
點擊鏈接 報名注冊
https://events.siemens.com.cn/disw/we/ad001/?pk_source=jishu
內容安排
No.
展開 MSER（IF=36.214）頂刊綜述論文：金屬晶格結構的增材制造
增材制造技術，俗稱3D打印技術，是融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。3D打印技術不同于傳統的、對原材料去除、切削、組裝的加工模式，是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統制造方式的約束，而無法實現的復雜結構件制造變為可能。常用于制備金屬材料的增材制造技術有粉床熔融技術，直接能量沉積，熔融沉積成型，分層實體制造，直寫成型技術，粘合劑噴射等等。
圖1. 各種金屬增材制造技術示意圖：(a) 粉床熔融技術，(b) 直接能量沉積，(c) 熔融沉積成型，(d) 分層實體制造，(e) 直寫成型技術，(f) 粘合劑噴射。
在過去，盡管可以設計出許多具有潛在優異性能的復雜晶格結構，但它們的制造仍然受到傳統方法的限制。 幸運的是，由于先進的制造能力，增材制造技術的發展反過來促進了更復雜結構的設計，設計目標也從原來的可制造性轉變為功能性。 從結構設計的角度看，晶格結構是在一定的空間中重復出現的單元胞集合。 因此，在晶格結構的設計中，既要考慮單元胞設計，也要考慮整體圖案設計。在此基礎上，再進行拓撲優化，這樣方能得到具有優異性能的晶格結構。對于單元胞的設計，主要包括桿基，殼基，三重曲面三種單元胞。
圖2. 粉床熔融技術制備的桿基金屬晶格結構及其單元胞原型：(a) 立方體結構，(b) 優化結構，(c) 菱形十二面體結構。
總的來說，金屬晶格結構的性能主要由單元胞的構型，孔隙率，使用的材料種類以及不同的增材制造技術決定的。設計和制造出具有不同性能的金屬晶格結構可以在不同的工業領域發揮作用。
展開 創成式設計與增材制造，顛覆傳統設計制造模式
圖：增材制造之激光選區熔化技術SLM原理
增材制造技術可以幫助企業打印復雜的產品結構，使用多孔結構、異質材料功能梯度結構、合金/復合材料/納米材料等高性能材料，讓企業不再受傳統工藝和制造資源的約束，讓工程師在“設計即生產”、“設計即產品”的理念下，按照最理想的結構形式來設計產品，使得產品結構輕量化和高性能得以實現，“功能性優先”變為可能。
增材制造技術的進步和大范圍應用，則意外地將各種美而復雜的設計方案從可制造性約束的束縛中解放出來，使創成式設計的價值得以完全的發揮。
圖：增材制造流程
03
GD+AM，改變設計制造模式
創成式設計突破了設計極限，而號稱“沒有造不出的原型”的增材制造技術為這類產品的加工提供了有利保證。反過來，增材制造技術的價值也需要創成式設計來體現，因為只有產品結構足夠復雜才值得通過增材制造技術來實現。創成式設計與增材制造的融合是企業創造出突破性創新產品的重要途徑，且這兩項技術的融合，正在顛覆傳統，改變著設計制造的模式。
創成式設計，百家爭鳴
對于創成式設計，各個廠商都有自己獨特的理解，但是目標不約而同。
展開 航空航天高性能制造，激光增材制造技術大有可為
創新結構設計與增材制造技術的融合，為航空航天等領域輕量化金屬構件的高性能/多功能化及綠色可持續制造帶來新契機。
增材制造構件的多功能化發展進程中，結構設計將更加突出生物仿生、生物靈感，通過道法自然，主動實現預期功能。創新發展仿生結構及多材料布局，實現仿生結構激光整體增材制造及多功能化，完成結構、材料、工藝、功能等多因素耦合及一體化調控。其中關鍵科學難題包括：仿生微結構與構件典型功能的映射關系及優化模型；仿生設計的跨尺度結構激光增材制造工藝約束性及成形機制；激光增材制造仿生結構的多功能一體化評價方法及響應機制等，如圖4所示。
圖4 激光增材制造輕量化抗沖擊仿生功能結構：（a）皮皮蝦尾節宏觀形貌；（b）仿生雙向波紋板抗沖擊結構SLM加工；（c）仿生雙向波紋板結構高度和波長參數對沖擊力效率的影響
思考與展望：激光增材制造技術未來的研究與發展趨勢
激光增材制造技術的科學內涵決定了其發展趨勢是實現微觀-介觀-宏觀跨尺度的材料-結構-工藝-性能/功能一體化。
展開 