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拓扑优化设计及嵌入式技术在3D打印中的应用

王晓璐

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王晓璐. 拓扑优化设计及嵌入式技术在3D打印中的应用[J]. 粉末冶金技术, 2023, 41(3): 241-248. doi: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2022040004
引用本文: 王晓璐. 拓扑优化设计及嵌入式技术在3D打印中的应用[J]. 粉末冶金技术, 2023, 41(3): 241-248. doi: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2022040004
WANG Xiaolu. Application of topology optimization design and embedded technology in 3D printing[J]. Powder Metallurgy Technology, 2023, 41(3): 241-248. doi: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2022040004
Citation: WANG Xiaolu. Application of topology optimization design and embedded technology in 3D printing[J]. Powder Metallurgy Technology, 2023, 41(3): 241-248. doi: 10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2022040004

拓扑优化设计及嵌入式技术在3D打印中的应用

doi:  10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2022040004
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: 122766627@qq.com

  • 中图分类号: TF122

Application of topology optimization design and embedded technology in 3D printing

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    Corresponding author: E-mail: 122766627@qq.com
    摘要
  • 摘要: 3D打印又称为增材制造(additive manufacturing,AM),是一种通过三维设计数据和材料逐层累加的方法来制造实体零件的技术。随着信息技术和智能控制被应用到3D打印技术之中,3D打印技术日趋成熟,并逐步实现了商业化。制造工艺的飞速发展往往需要设计技术的快速跟进,拓扑优化方法不依赖初始构型及工程师经验,能够获得意想不到的创新构型,已成为结构创新设计的重要工具。嵌入式技术是一种由内部计算机控制并执行专用功能的设备或系统,与通用型计算机系统相比,嵌入式系统功耗低、功能强大、实时性强、支持多任务、占用空间小、效率高,面向特定应用可根据需要灵活定制,在3D打印设备中有着更好的使用优势。本文总结了拓扑优化设计和嵌入式数字技术在3D打印中的应用,介绍了拓扑优化在3D打印中的应用案例和拓扑优化主流软件,分析了嵌入式技术在3D打印中的应用优势及案例,展望了拓扑优化设计及嵌入式数字技术在3D打印中的应用。
      关键词:
    • 拓扑优化 / 
    • 增材制造 / 
    • 3D打印 / 
    • 轻量化 / 
    • 嵌入式技术 
  • 图  1  典型拓扑优化[ 6- 7]

    Figure  1.  Typical topology optimization[ 6- 7]

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    图  2  基于拓扑优化的3D打印多层级结构骨骼(a)[ 5]和摩托车(b)

    Figure  2.  3D printed multi-scale bones (a)[ 5] and motorcycle (b) based on the topology optimization

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    图  3  航天组件拓扑优化前后对比[ 12]:(a)优化前;(b)优化后

    Figure  3.  Aerospace components before and after the topology optimization [ 12]: (a) before optimization; (b) after optimization

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    图  4  Altair Inspire软件优化模型[ 13]

    Figure  4.  Optimization model of Altair Inspire software[ 13]

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    图  5  原节点与拓扑节点对比[ 14]:(a)原节点;(b)拓扑优化后节点;(c)优化后内部细节

    Figure  5.  Original and topology joint[ 14]: (a) original joint; (b) topology joint after optimization; (c) inner details of topology joint after optiniztion

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    图  6  3D模型拓扑优化结果打印输出样件[ 15]:(a)吊球;(b)佛像;(c)兔子

    Figure  6.  3D printing samples by topology optimization[ 15]: (a) hanging ball; (b) Buddha head; (c) bunny

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    图  7  微结构构型拓扑形状优化(泊松比为−0.8~0.8)[ 17]:(a)拓扑优化设计的单元格;(b)3D打印的单元格;(c)3×3单远格组成的构造化材料

    Figure  7.  Optimized architectures by topology and shape with Poisson ratio of −0.8~0.8[ 17]: (a) designed unit cells by topology optimization; (b) 3D printed unit cells; (c) 3×3 unit cells of the corresponding architectures

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    图  8  航空器支架拓扑优化过程[ 18]

    Figure  8.  Topology optimization process of aerospace bracket[ 18]

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    图  9  四轴飞行器臂原始设计(a)、优化后的晶格结构(b)与拓扑优化结果(c)[ 19]

    Figure  9.  Original design (a) optimized lattice structures (b), and topology optimization result (c) of the quadcopter arm[ 19]

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    图  10  1%应变下拓扑优化结构(a)与菱形十二面体结构(b)中的应力分布[ 22]

    Figure  10.  Stress distribution in topologically optimized structure (a) and rhombic dodecahedron structure (b) at 1% strain[ 22]

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    图  11  具有拓扑优化结构的多孔CP–Ti透射电子显微形貌[ 22]:(a)透射电镜明场图像;(b)孪晶薄片的明场图像;(c)相应孪晶区域的电子衍射图;(d)孪晶界面的原子尺度图像

    Figure  11.  Transmission electron microscopy images of the porous CP–Ti with the topology-optimized structure[ 22]: (a) bright-field image; (b) bright-field image of the twinned flakes; (c) electron diffraction pattern of the corresponding twinned region; (d) atomic-scale image of the twinned interface

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    表  1  拓扑优化软件性能对比分析

    Table  1.   Performance comparison of the topology optimization software

    拓扑优化软件界面操作材料数据库性能分析制造约束分析功能自动化几何重构与3D打印集成度
    Altair Inspire简单丰富支持较高很高
    Siemens NX较复杂较丰富支持较强
    PTC Creo较简单较丰富支持较强较高
    Autodesk Netfabb简单丰富支持较强较高很高
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  • 收稿日期:  2022-06-04
  • 刊出日期:  2023-06-28

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