行业应用方案 | 拓扑优化与增材制造

Ansys 行业应用方案连载（17） | 拓扑优化与增材制造

增材制造是指通过逐层堆积的方式将3D模型数据转换为实体的过程，也称为3D打印、快速成型等。增材制造常常被用于制造实体零件、原型验证、模具等，其可使用包括塑料、金属、陶瓷、玻璃、复合材料和生物材料等。根据最新的2020年Wohlers 报告，增材制造在汽车行业应用最广(16.4%)，其次是消费品/电子产品(15.4%)和航空航天(14.7%)，其中终端产品占全球打印件的30.9%，功能性原型占24.6%。

仿真软件在增材行业相比其他软件而言应用尚不广泛。目前仿**要应用于金属粉末熔融技术，其他技术诸如金属粉末熔覆技术和熔融沉积成型技术对于仿真的需求也逐日增加。仿真软件主要用于预测成形过程中可能产生的打印失败，因而降低试错成本和时间。目前仿真软件对算力有较高要求，但随着速度和精度的不断提升，仿真软件有望成为增材设计流程的标准之一。根据仿真结果生成变形补偿模型也将帮助打印出更精准的零件。

Ansys增材制造工艺仿真套件提供了从面向增材制造设计到打印工艺的完整解决方案。此综合型解决方案可帮助结构设计师、工艺工程师和质量分析师避免生产失败，并制造精确符合设计规格的部件。使用提供的各种网格划分选项，可创建连接式分层网格，更精准地捕获模型几何结构的细节，精确地实现细节特征。用户可以全面控制生产加工步骤，现在还可以添加热处理和支撑去除步骤，执行更完整的整体增材制造过程仿真。

增材制造与拓扑优化可以通过再设计降低飞行器的重量、减少人力装配成本、提升燃油效率、缩短研发时间周期。

• 涡轮叶片拓扑优化和增材制造

• 燃油喷嘴批量化增材制造

• 飞机舱门铰链的一体化、拓扑优化设计

• 飞机固定件的一体化设计

• 射频滤波器的轻量化设计

• 卫星天线的拓扑优化

模具行业中增材应用广泛，包括砂模等。金属增材的最大优势是可打印随型流道，适用于复杂零件的生产，提升效率。

• 随性冷却流道模具的再设计和工艺仿真

• 使用增材制造的轮胎钢片模具

个性化设计和采用拓扑、点阵设计的医疗植入体和齿科应用已大规模使用增材进行生产。美国已有不少医疗器械生产供应商获得了FDA的认证，国内也已有少数厂商获得了CFDA认证。

• 髋关节髋臼杯的点阵定制设计和打印

• 椎间融合器的点阵定制设计和打印

• 胫骨底板的轻量化定制设计和打印

增材制造被广泛应用在汽车的开发、设计、制造和销售过程中，包括制造具有较高机械性能和光学要求的汽车零部件，实现更安全的轻量化设计、更低的成本、更短的开发与制造周期等。

• 格栅和格栅覆盖优化设计和工艺仿真

• 空气扰流板的优化设计和工艺仿真

• 支架的拓扑优化再设计、验证和工艺仿真

Ansys Additive Suite涵盖整个工作流程——从增材制造设计 (DfAM) 到验证、打印数据准备、工艺仿真和材料研发。

• Ansys拓扑优化模块可根据结构刚度、承载能力和增材制造工艺限制的条件实现轻量化设计，包括拓扑优化、形状优化和点阵设计，并对设计结果进行验证仿真。

• Ansys Additive Prep作为增材制造前处理工具可以根据打印时间，支撑用量，以及热变形优化零件摆放，并生成适用于打印的支撑。

• Ansys Additive Workbench为熟悉Mechanical环境的用户提供增材制造的成形过程、自定义后处理的工艺仿真。

• Ansys Additive Print提供了易学易用、快捷、强大的3D打印工艺过程仿真能力，帮助用户详细了解增材制造特有的物理机理，并独家提供了读入金属打印机的打印文件，采用精确的部件打印扫描矢量进行全尺度热分析，并在此基础上为用户提供了无与伦比的分析预测功能。

• Ansys Additive Science帮助金属增材制造专家、工程分析师、材料科学家、设备制造商以及粉末供应商，针对特定的机器/材料组合调试最佳工艺参数，以获得最高等级的部件完整性，并在打印之前预测微观结构、属性和传感器反馈。

Ansys Additive Suite为用户提供可选择在Mechanical环境中或易学易用的print中完成增材工艺仿真流程。用户可通过内置的增材制造约束条件实现拓扑优化和点阵设计，并可采用固有应变或热固耦合方式预测零件变形和应力的预测。支持非线性和依赖温度的材料属性，和自定义后处理流程，从而设计出可以精确打印的零件、减少试错实验并加速制造过程。新增的设备工作文件的读取，可以得到基于工作路径的仿真结果。用户还可通过微观结构的仿真和分析，快速确定最佳工艺参数、应用新材料、加速创新并降低风险。

Optisys-X-band使用集成化软件进行了轻量化整设计，符合射频性能，且固定部分做了整体设计。

增材制造可用于实现叶片复杂的冷却结构成形，使叶片更加轻量化。

GE公司制造的这款增材制造的燃油喷嘴已经被用到了LEAP上，并进行批量化生产。

Stryker 3D打印的Tritanium TL弧形后部腰椎笼，采用类似骨小梁的结构设计，并可针对患者进行定制化。