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讓制造更簡單，世界更美好

傳統(tǒng)加工工藝通常對設(shè)計方案的制約性強，金屬增材制造技術(shù)可根據(jù)三維模型，通過“降維”快速制造復(fù)雜的幾何形狀零件，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形開拓了新的方向，讓設(shè)計更自由；而創(chuàng)新設(shè)計則為增材制造降成本、優(yōu)品質(zhì)、提效率提供了路徑，讓產(chǎn)品設(shè)計師和行業(yè)用戶得以探索更多極致化設(shè)計。

在金屬3D打印技術(shù)中，產(chǎn)品的優(yōu)化主要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化、工藝優(yōu)化三種途徑實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是指通過創(chuàng)新設(shè)計，以設(shè)計者的設(shè)計靈感及專業(yè)知識驅(qū)動產(chǎn)品的實現(xiàn)，并進行產(chǎn)品的最優(yōu)化探索；材料優(yōu)化即通過研發(fā)始終保持金屬粉末的先進性，并不斷擴充粉末原材料的種類、提高粉末性能，為產(chǎn)品輕量化奠定應(yīng)用基礎(chǔ)；工藝優(yōu)化即在實際應(yīng)用中不斷優(yōu)化各項工藝參數(shù)，包括支撐方式、打印層厚、致密度、粗糙度等，為產(chǎn)品最終優(yōu)化效果的實現(xiàn)提供保障。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是最能發(fā)揮設(shè)計者創(chuàng)造力，實現(xiàn)創(chuàng)新理念與設(shè)計實踐結(jié)合的優(yōu)化途徑。

金屬增材制造在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用方向主要有：輕量化、流通與熱效率提升、仿生融合。

輕量化

輕量化的目標(biāo)是在給定的邊界條件下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自重的最小化，同時滿足一定的壽命和可靠性要求。使用金屬3D打印技術(shù)制造的產(chǎn)品，在設(shè)計階段即可提取最優(yōu)傳力路徑，讓結(jié)構(gòu)材料充分發(fā)揮價值，減少冗余，具體可依托以下多種結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

#案例展示：天線支架的拓?fù)鋬?yōu)化

應(yīng)用背景：天線支架主要用于聯(lián)系飛行器基體與天線部件，工作工程中需要承受一定過載和天線部件的結(jié)構(gòu)重量，除具有強度要求，還需滿足基頻要求以避免在使用過程中出現(xiàn)共振。

傳統(tǒng)解決方案：傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)毛坯多采用鑄造或板焊，成品由機加工工藝實現(xiàn)，為了滿足加工工藝要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)型會受到較多的工藝性限制，很多傳力路徑受到工藝約束而被切斷或整合。結(jié)構(gòu)效率有限，存在一定冗余材料。

創(chuàng)新設(shè)計方案：基于金屬3D打印突出的工藝實現(xiàn)性和設(shè)計柔性，結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，計算提取產(chǎn)品對應(yīng)工況條件下的最優(yōu)傳力路徑，形成高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，新的設(shè)計方案實現(xiàn)減重37%，同時強度響應(yīng)及頻率響應(yīng)均滿足使用要求。

流通與熱效率提升

金屬增材制造技術(shù)擺脫了傳統(tǒng)機加工成形限制，讓復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)流道流通從設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實，同時，其“自下而上”的加工方式可更大限度實現(xiàn)自由設(shè)計，避免復(fù)雜內(nèi)流道零件發(fā)生變形、縮孔、裂紋等缺陷。設(shè)計人員可通過對零件內(nèi)流道及熱管理特征的優(yōu)化設(shè)計，讓流道更順暢、熱效率更高。

#案例展示：冷卻殼體結(jié)構(gòu)

應(yīng)用背景：殼體結(jié)構(gòu)主要用來實現(xiàn)機器裝備的防護，對于部分熱環(huán)境敏感的裝備，其在運行狀態(tài)下產(chǎn)生的熱量需要通過殼體來散失以保證運行可靠性，這要求殼體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)主動冷卻。

傳統(tǒng)解決方案：主動冷卻的實現(xiàn)多采用冷卻介質(zhì)的導(dǎo)入，通過熱傳導(dǎo)及對流實現(xiàn)環(huán)境內(nèi)的熱交換。冷卻流道的布局對于散熱效率有極大影響，傳統(tǒng)冷卻流道需要通過機加工及鉆孔工藝實現(xiàn)，單體流道多為平直狀，流道間的過渡需要通過不同方向鉆孔的交叉實現(xiàn)，最后通過堵頭焊接封堵，流道構(gòu)型受工藝限制較大，結(jié)構(gòu)在堵頭區(qū)域易因焊縫失效而發(fā)生泄漏。

創(chuàng)新設(shè)計方案：通過冷卻流道的布局優(yōu)化與分析，可以幫助零件實現(xiàn)更高效的冷卻，同時流道的光順連接可提升冷卻介質(zhì)流通效率；整個結(jié)構(gòu)一體化成形，無需堵頭和流道區(qū)域的二次焊接，有效降低產(chǎn)品失效風(fēng)險。

仿生融合

工業(yè)制造領(lǐng)域中有很多零部件或機械的設(shè)計都是從生物學(xué)中得到的靈感，比如：潛艇的設(shè)計是從海豚體形或皮膚結(jié)構(gòu)中得到的靈感，飛機的機翼設(shè)計、抗震顫裝置、機頭探測器等也是從鷹、蜻蜓、海鳥等動物中得到靈感……而在金屬增材制造技術(shù)中，設(shè)計師多采用多尺度及微觀特征設(shè)計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的仿生，其可以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)展的方式，在減少材料的同時，促進組織長入與融合，加速肌體愈合，目前在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用比較廣泛。

#案例展示：鈦合金髖臼杯假體（試樣件）

創(chuàng)新設(shè)計方案：髖臼杯表面覆蓋無序多孔結(jié)構(gòu)，與人體骨小梁結(jié)構(gòu)更加接近，大幅降低了接觸面的彈性模量，減弱了髖骨的骨吸收，增加了假體與該部位的力學(xué)適配性；同時，髖臼杯內(nèi)部密布凹孔，有利于髖臼杯裝配及骨細(xì)胞長入，增強組織適配性。

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