OptFuture | 增材制造中的晶格结构_拓扑优化_光学_通用_航空_汽车_电子_增材_材料_控制

OptFuture | 增材制造中的晶格结构

前言

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在工业4.0中，制造业的重点从传统制造转向了先进制造，增材制造技术作为复杂结构制造的新型制造技术被广泛应用于航空、汽车、电子和医疗领域，这些复杂结构通常是多孔晶格结构，具有质量轻，比强度高和制造成本低等优点。3D打印技术已趋于成熟的今天，晶格结构在产品设计中变得越来越普遍。OptFuture作为国产工业软件实力新秀，积极开发了超材料模块，其中的晶格结构数字化生成技术已在2024 V2.0版本中正式上线，本文即对该功能进行简要介绍。

晶格结构类型

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常见的晶格结构包括梁杆类点阵晶格、TPMS晶格、蜂窝和平板结构，其中梁点阵晶格具有较好的比强度，且适合轻量化设计；TPMS晶格可以提供全面的机械性能；蜂窝和平板结构具有良好的导电性能和光学性能。目前OptFuture超材料模块支持梁杆类点阵晶格，具体包括体心立方、面心立方、简单立方和中心立方等几种类型（参考图1），其余类型的晶格结构将在后续版本中陆续上线。

图1 左到右依次为体心立方、面心立方、简单立方和中心立方

晶格结构应用示例

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在工程产品开发中，晶格结构常应用于轻量化、医疗、热管理、减振和吸能等场景。使用OptFuture的超材料模块可以轻松完成各种工业产品的晶格结构填充设计，用户只需要指定待填充的区域，并设置单胞类型和单胞的尺寸参数即可提交求解。下面为大家展示一些晶格结构的案例。

晶格结构具有多孔填充的几何特征，因此可以设计为吸能结构。通过改变不同区域的点阵填充密度和单胞类型，可以有效地吸收不同方向的能量。与通用产品中使用的泡沫结构相比，复杂的晶格结构可以在多个方向重新定向并更好地分配能量以吸收冲击力，更好地发挥现代增材制造技术的优势。图2为一种骑行头盔，案例中使用OptFuture超材料模块的体心立方进行填充，单胞尺寸7mm，梁晶格杆尺寸2mm，生成效果如图所示。

图2 骑行头盔及体心立方晶格填充

医疗行业中也广泛应用了各类晶格结构。研究表明，膝关节和髋关节植入物中的晶格结构可以促进植入物中的骨组织生长，3D 打印的钛晶格植入物在部分或全膝关节置换后的胫骨近端载荷环境可以与自然状态下保持相似[1]，这是传统固体植入物所不具备的。此案例中使用OptFuture超材料模块的中面心立方体对髋关节骨体进行填充，单胞尺寸6mm，杆尺寸1mm，髋关节示意图及面心立方晶格填充效果如图3所示。

图3 髋关节骨骼的面心立方晶格填充效果

在许多工业产品的设计中，质量是一个格外重要的控制指标。基于晶格结构的壳体设计通常用在结构轻量化设计中，这种设计可以减少材料使用，有效控制壳体的质量。图4为液体火箭发动机涡轮泵，此案例对中间回转对称的法兰部件的壳体进行晶格结构填充。使用OptFuture超材料模块的简单立方进行填充，单胞尺寸2.5mm，杆半径0.15mm。

图4 液体火箭发动机涡轮泵及法兰盘简单立方晶格填充效果

运动鞋的鞋底结构为整鞋提供了稳定性，其缓冲和回弹作用能够吸收运动中产生的冲击力，在剧烈运动中为运动员提供保护以及舒适的脚感。采用晶格结构设计得到的鞋底结构不仅能将可以将减振缓冲发挥到极致，还能同时达到轻量化设计的目的，助力运动员取得更好的成绩。在此案例中，使用OptFuture超材料模块的中心立方对鞋底结构进行填充，单胞尺寸10mm，杆尺寸0.8mm。

图5 运动鞋底的中心立方晶格填充效果

小节

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OptFuture软件最新上线的晶格结构数字化生成功能，为工业零部件的晶格结构填充提供了便利的实现手段，欢迎各位读者朋友们使用该功能，并提出改进建议。

参考文献

[1] Munford M J, Stoddart J C, Liddle A D, et al. Total and partial knee arthroplasty implants that maintain native load transfer in the tibia[J]. Bone & Joint Research, 2022, 11(2): 91-101.

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近日，周平章博士（优解未来CTO）和清华大学的几位学者联名在JVET（JournalofVibrationEngineering&Technologies）上发表了关于拓扑优化技术应用于含阻尼层隔振平台系统设计的研究成果-《DesignSynthesisofVibrationIsolationSystemConsideringHostStructure,DampingLayer,andResilientMounts》，周平章博士为通讯作者。隔振平台系统是一种广泛应用于船舶、航天、车辆等领域，对电子设备、动力系统等进行承载、隔振的关键部件。对于复杂隔振平台而言，其工作时存在倍频激励力，且设计时需要综合考虑支撑平台、隔振器、阻尼层等诸多相互掣肘的因素，导致基于传统方法进行系统设计时的流程颇为复杂，需要反复试错，效率极低。在这项研究中，作者基于拓扑优化技术提出了一种能够对一类包含主支撑结构、阻尼层和弹性支撑的隔振平台进行综合设计的方法。在文中作者将一般通过离散变量描述的弹性支撑元件转化为连续变量描述，提出了用于对主支承结构、阻尼层和弹性支撑元件同时进行优化的统一框架，利用该框架作者建立了存在倍频激励的隔振系统多目标优化模型，并对包含自由阻尼层和约束阻尼层的两类隔振系统分别进行了优化设计和对比。数值结果表明，该方法可以应用于隔振系统的高效综合设计。此项工作为利用现代数字化方法进行复杂隔振系统的综合优化设计提供了一种有效的途径。图1隔振平台系统图2两类隔振平台系统（a）5个弹性支撑（b）7个弹性支撑（c）9个弹性支撑图3不同数量弹性支撑系统的优化（a）基频30Hz优化结果（b）基频40Hz优化结果（c）基频50Hz优化结果图4不同频率下自由阻尼层隔振系统优化结果来源：OptFuture优解未来