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3D打印技術參考注意到，來自西安交通大學、北京動力機械研究所的研究團隊，近日在3D打印晶格結構領域取得新進展，他們提出了一種非均勻的共形晶格拓撲優化方法，能夠生成具有空間密度和大小變化的參數晶格結構，克服了與均勻假設相關的制造限制。
增材制造的快速發展擴大了設計自由度，使復雜結構的集成制造成為可能，從而加速了輕量化結構的研究和應用。
近年來，研究人員積極探索新型設計策略，進一步提升晶格結構的結構性能。例如，機器學習算法與晶格構型設計的結合，為開發適合增材制造的多尺度晶格結構開辟了新的研究方向。在此背景下，拓撲優化起著基礎作用，因為它能夠識別最優材料分布。
非均勻共形晶格結構的拓撲優化設計策略，考慮了3D打印的可制造特征尺寸
文章指出，晶格結構的拓撲優化方法目前已經非常成熟，但這些方法主要適用于常規設計領域。在航空航天等特殊應用場景，需要面對空氣動力學形狀、承載和減重等特殊要求，設計空間可能很狹窄，也可能遇到的是薄壁結構，在設計時就存在很大的限制性。
而以往的晶格結構填充，往往是規劃規格統一的晶格，然后使用布爾運算進行修剪，再將晶格與結構復合，這種方法會在邊界處會產生大量的不完全單元，導致晶格結構性能降低。
非均勻共形晶格的生成原理與實現機制
為解決這個問題，目前已經有大量關于生成共形晶格結構的方法，但大多數仍依賴于均勻單元的假設，在面對工程應用時的實用性不強。
來自西交大等的研究團隊，改變了這種“一刀切”的做法，讓晶格結構能夠“順勢生長”，在需要強度的地方分布密實，在次要區域保持洗漱，同時還能完美貼合零件的外形。
這就是其所提出的一種面向空間受限的復雜幾何形狀非均勻共形晶格結構拓撲優化方法，它克服了均勻單元分布的局限性。
研究人員分四步來實現這一設計過程，分別是參數化建模、性能等效快速評估、拓撲優化、幾何重構生成最終模型。
首先是使用參數化建模來構建三周期極小曲面(TPMS) 晶格，通過調整參數可靈活控制晶格的密度分布和單元大小。
第二步是力學仿真。對晶格結構做力學仿真會非常耗時，該研究采用了一種叫均勻化映射的方法，直接用等小材料的屬性來代替復雜的晶格，大大提升了效率。
非均勻共形晶格結構拓撲優化流程圖
第三步是拓撲優化，它是整個設計的核心，它通過設定目標、迭代計算、重新分配和保證可制造性來實現。在迭代過程中，算法會監控晶格單元支柱直徑，一旦支柱直徑低于打印機的制造極限，多個小單元就會合并，確保生成的結構能打印出來。
優化完成后會得到一個理想的材料分布框架，然后利用第一步的數學函數，重新生成一個內部晶格密度和大小都連續變化的完整結構，卻不通區域之間過渡連續且平滑，避免產生應力集中的弱點。
設計與模擬雷達罩的密度梯度共形晶格和非均勻共形晶格
在案例展示環節，研究人員以半球形天線罩、返回艙防護結構、渦扇發動機葉片、飛機方向舵為案例，考察了上述 方法在復雜工程結構中的適用性。
這些示例在形狀和尺寸上差異較大，文章指出，他們所提出的非均勻共形晶格設計可以從簡單的標準構件擴展到具有復雜幾何邊界的實際工程部件。這證實了該方法在輕量化且性能定制化的增材復雜結構設計中的多功能性、靈活性和實用價值。
這項研究以“Topology optimization of non-uniform conformal lattice structures with feature size in additive manufacturing”為題，于近日發表在Additive Manufacturing。
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