西交大：3D打印拓扑优化晶格结构设计取得新成果

3D打印技术参考注意到，来自西安交通大学、北京动力机械研究所的研究团队，近日在3D打印晶格结构领域取得新进展，他们提出了一种非均匀的共形晶格拓扑优化方法，能够生成具有空间密度和大小变化的参数晶格结构，克服了与均匀假设相关的制造限制。

增材制造的快速发展扩大了设计自由度，使复杂结构的集成制造成为可能，从而加速了轻量化结构的研究和应用。

近年来，研究人员积极探索新型设计策略，进一步提升晶格结构的结构性能。例如，机器学习算法与晶格构型设计的结合，为开发适合增材制造的多尺度晶格结构开辟了新的研究方向。在此背景下，拓扑优化起着基础作用，因为它能够识别最优材料分布。

非均匀共形晶格结构的拓扑优化设计策略，考虑了3D打印的可制造特征尺寸

文章指出，晶格结构的拓扑优化方法目前已经非常成熟，但这些方法主要适用于常规设计领域。在航空航天等特殊应用场景，需要面对空气动力学形状、承载和减重等特殊要求，设计空间可能很狭窄，也可能遇到的是薄壁结构，在设计时就存在很大的限制性。

而以往的晶格结构填充，往往是规划规格统一的晶格，然后使用布尔运算进行修剪，再将晶格与结构复合，这种方法会在边界处会产生大量的不完全单元，导致晶格结构性能降低。

非均匀共形晶格的生成原理与实现机制

为解决这个问题，目前已经有大量关于生成共形晶格结构的方法，但大多数仍依赖于均匀单元的假设，在面对工程应用时的实用性不强。

来自西交大等的研究团队，改变了这种“一刀切”的做法，让晶格结构能够“顺势生长”，在需要强度的地方分布密实，在次要区域保持洗漱，同时还能完美贴合零件的外形。

这就是其所提出的一种面向空间受限的复杂几何形状非均匀共形晶格结构拓扑优化方法，它克服了均匀单元分布的局限性。

研究人员分四步来实现这一设计过程，分别是参数化建模、性能等效快速评估、拓扑优化、几何重构生成最终模型。

首先是使用参数化建模来构建三周期极小曲面(TPMS) 晶格，通过调整参数可灵活控制晶格的密度分布和单元大小。

第二步是力学仿真。对晶格结构做力学仿真会非常耗时，该研究采用了一种叫均匀化映射的方法，直接用等小材料的属性来代替复杂的晶格，大大提升了效率。

非均匀共形晶格结构拓扑优化流程图

第三步是拓扑优化，它是整个设计的核心，它通过设定目标、迭代计算、重新分配和保证可制造性来实现。在迭代过程中，算法会监控晶格单元支柱直径，一旦支柱直径低于打印机的制造极限，多个小单元就会合并，确保生成的结构能打印出来。

优化完成后会得到一个理想的材料分布框架，然后利用第一步的数学函数，重新生成一个内部晶格密度和大小都连续变化的完整结构，却不通区域之间过渡连续且平滑，避免产生应力集中的弱点。

设计与模拟雷达罩的密度梯度共形晶格和非均匀共形晶格

在案例展示环节，研究人员以半球形天线罩、返回舱防护结构、涡扇发动机叶片、飞机方向舵为案例，考察了上述 方法在复杂工程结构中的适用性。

这些示例在形状和尺寸上差异较大，文章指出，他们所提出的非均匀共形晶格设计可以从简单的标准构件扩展到具有复杂几何边界的实际工程部件。这证实了该方法在轻量化且性能定制化的增材复杂结构设计中的多功能性、灵活性和实用价值。

这项研究以“Topology optimization of non-uniform conformal lattice structures with feature size in additive manufacturing”为题，于近日发表在Additive Manufacturing。

注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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