拓扑优化在增材制造领域的应用

        增材制造 (AM) 消除了传统制造方法的许多设计限制，从而能够生产机械性能优异的零件。因此，工程师必须使用拓扑优化和其他生成设计工具来充分利用增材制造带来的几何复杂性。这些工具通常擅长优化零件的弹性响应。然而，大多数增材制造的聚合物和金属的失效通常涉及大的塑性变形，而设计工具通常无法解释这种情况。因此，要准确预测使用拓扑优化生成的概念设计的极限强度和失效模式，需要使用先进的有限元分析 (FEA)，以用于制造零件的材料的非线性行为。

        当然，在依靠 FEA 预测零件失效之前，工程师需要通过仔细的实验测试和验证来验证其建模假设。事实上，通过增材制造生产零件涉及使用新材料、以新方式加工、制造使用新软件设计的零件，这一事实只会提高实验验证的重要性。本文讨论使用非线性有限元分析对通过拓扑优化设计的增材制造零件的强度进行建模分析，以及材料和零件级测试在校准和验证这些模型中的作用。

具有拓扑优化的衍生式零件设计

        拓扑优化工具通过使用弹性 FEA 分析零件变形，同时迭代修改几何形状以找到最佳解决方案，找到给定负载条件和几何约束下材料的最有效利用。许多拓扑优化工具已经上市，并且事实上现在已直接集成到 CAD 软件中。

        上图示例说明了拓扑优化的能力。在这种情况下，我们优化了由三个销钉（标记为“a”、“b”和“c”）加载的连杆，以具有高刚度重量比。我们的优化目标是最大限度地减少垂直施加载荷下销“c”的偏转，同时将零件的质量减少 65%。加载销“a”和“b”保持固定。我们展示了平滑之前和之后的优化方案。

        与 3Degrees 合作，使用 PA12 选择性激光烧结打印优化的连杆结构。3Degrees 专注于通过材料开发、质量管理工具和咨询帮助组织实现高质量的 3D 打印生产。照片显示了打印的零件，突出显示了拓扑优化软件生成的结构。在最终设计中，非常精细的特征很可能会在后续设计迭代中进行修改，但对于本次练习，我们打印了拓扑优化的平滑输出，而无需进一步修改。

 材料测试和建模

        为了预测上面所示的连杆的极限强度，我们需要了解材料的完整应力应变行为以及是否可以忽略各向异性。由于增材制造的方向性，几乎所有增材制造材料都表现出一定的微观结构各向异性。这种结构排序是否会导致各向异性力学性能取决于材料、加工细节以及所关注的机械性能。因此，我们使用相同的工艺条件在多个方向打印测试样本，以便测试零件的材料的力学性能，并为材料模型校准提供数据。

上图显示测试实验室使用相对于构建方向垂直（红色曲线）和水平（蓝色曲线）定向的拉伸样本的应力-应变曲线。该材料表现出有效的各向同性行为，因此被建模为各向同性。黑色虚线显示零件 FEA 中使用的材料模型。在这种情况下，我们可以使用简单的材料模型，因为材料表现出各向同性行为，并且我们不关心杠杆的卸载响应、时间相关行为或温度敏感性。

模型验证

        我们将连杆的强度定义为可以垂直施加到销“c”上的最大负载。生成零件设计、指定功能测试并校准材料模型后，我们完成了零件失效的有限元分析。我们使用相同的网格来打印和建模零件。为了对杠杆进行实验测试，我们制作了一个固定装置，安装在通用测试框架上，固定销“a”和“b”，同时对销“c”施加垂直位移。万向节允许装载销自由水平运动。

         下图显示了有限元分析和实验结果之间的良好一致性。该零件因顶面弯曲而失效，模型很好地捕捉到了这一点。此外，该模型还可以准确预测组件的刚度和强度。我们测量杠杆的强度为 435 磅，FEA 预测强度为 428 磅。该结果验证了我们的模型对于承受单调递增载荷的 SLS PA12 零件的准确性。

        现在可以通过所建立模型的准确性轻松预测不同设计的性能。上图还显示了与我们的优化设计具有相同质量的连杆的力-位移曲线，但取出了部分质量以创建简单的工字梁结构。优化后的结构明显更优。

结论

        总而言之，拓扑优化擅长优化结构的弹性响应，但这不足以保证零件性能。工程师必须使用非线性有限元建模来预测设计方案的极限强度和失效模式。要对任何有限元分析充满信心，都需要对材料进力学测试和建模，然后进行零件级验证测试。有了针对给定增材制造材料/工艺组合的准确模型，工程师就可以依靠仿真来快速评估和修改使用拓扑优化生成的设计方案，以实现高性能、高价值的零件。