结构拓扑优化设计以寻求材料最优分布形式与最佳承力路径为目的，在符合结构材料力学特性的前提下，实现结构的轻量化设计。然而拓扑结构往往比较复杂，传统制造技术难以实现精准、快速制造。金属增材制造技术可实现复杂零件的快速制造，极大地拓宽了设计空间。 增材制造技术前沿注意到，来自沈阳航空航天大学机电工程学院和中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所的研究人员发表了《面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展》一文，综述了面向金属增材制造技术的结构拓扑优化设计研究进展，从优化拓扑算法的角度，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施；从金属增材制造约束的角度，总结了考虑几何约束、成形约束、材料性能约束的拓扑优化方法，并结合金属增材制造与拓扑优化技术的发展趋势进行了展望。   面向金属增材制造的拓扑优化设计随着我国航空航天事业的持续发展，航空结构件需满足轻质高效、长航时、高机动性等要求，因此，进一步降低结构质量系数是结构优化设计领域面临的一项严峻挑战。传统轻量化设计大多是基于经典结构的等效替换，例如通过新工艺、新材料等精益改善和挖掘结构潜能，现已趋近“天花板”。 拓扑优化技术作为结构优化设计的重要分支，通过定义材料属性、载荷工况与约束条件，寻求给定设计域内材料的最优分布形式，是结构轻量化设计、获得高性能创新构型的有效设计方法，现已被广泛应用到航空航天、汽车制造等领域中。例如，应用填充微观点阵结构的卫星支架多尺度拓扑优化设计，使卫星支架减重17%，动态响应减少25%；考虑切口、保持传统钣金轮廓的涡轮发动机支架的拓扑优化设计，使发动机支架减重25%；考虑增材制造工艺、扩大设计空间的拓扑优化设计，使发动机支架减重66%，最大位移减少约50%；由30多个单独部件组成的稳定器前翼梁支架，应用拓扑优化一体化设计，成功实现前翼梁支架减重30%，显著改善结构性能，提升加工效率。  金属增材制造技术   然而拓扑构型通常较为复杂，受制于传统制造工艺限制，设计人员往往需要简化最优拓扑构型，这导致拓扑优化的结构优势不能充分体现。增材制造技术使用高能束热源，采用“自下而上”材料逐层熔化沉积的叠加方式，无需模具，可实现复杂拓扑构型的快速“自由制造”，解决了结构优化存在的“制造决定设计”的问题，极大地拓宽了设计空间。但金属增材制造技术并不是完全“自由制造”技术，仍存在特有的制造约束，如当拓扑构型最小尺寸小于设备精度时，则会出现打印失败现象；受制于设备成形腔与结构热变形限制，增材制造大型构件时，需进行分块与连接处理；增材制造零件有时会沿构建方向出现20%~40%的强度损失；对于粉末床增材制造技术，在制造含有封闭孔洞的拓扑结构时会出现内部粉末与支撑难以去除等问题。因此，在拓扑优化设计中考虑增材制造约束，发展面向金属增材制造的拓扑优化设计方法具有重要意义。 金属增材制造技术虽有效解决了复杂拓扑结构可制造性差的问题，但仍存在某些制造约束，如当结构最小尺寸小于束斑直径时，零件实际打印轮廓会超出设计轮廓；激光选区熔化技术所能制造的零件几何尺寸受限；当悬垂角度选择不当时，会产生零件装配孔材料塌陷、支撑结构断裂等现象；采用粉末床增材制造技术时，制造的含有封闭孔洞的结构存在内部粉末与支撑无法去除等问题。因此，在拓扑优化设计中需同时考虑结构几何约束、成形约束、材料性能约束等多种增材制造约束，从产品拓扑优化设计源头改善制造工艺局限性，以实现结构设计制造的一体化。   增材制造打印失效 ：（a）装配孔材料塌陷；（b）支撑结构断裂；（c）内部支撑无法去除 拓扑优化设计可以依据材料属性、约束条件及载荷工况，在给定设计区域内寻求材料最佳分布形式与最优承力路径，实现高性能轻量化设计。金属增材制造技术基于高能束热源，采用快速熔化与逐层叠加的成形方式，可实现复杂拓扑构型的快速原型制造与实体自由制造。将拓扑优化设计与金属增材制造结合，归纳了基于单元网格与边界演化的拓扑优化方法在改善结构连续性与可制造性方面的有效措施，总结了考虑金属增材制造几何尺寸约束、成形约束及材料性能约束的拓扑优化方法，为学者们进一步研究面向金属增材制造的拓扑优化设计提供了参考。   考虑最小尺寸约束的拓扑优化：（a）节点设计变量与投影函数 ；（b）鲁棒公式 ；（c）空间梯度算子 ；（d）骨架提取与最小特征优化 MBB 梁自支撑优化：a）悬垂投影约束；b）优化悬垂角度与打印方向；c）多边形特征孔；d）非线性虚拟温度场   考虑连通性约束的拓扑优化：a）虚拟温度场；b）最短连接隧道；c）边约束；d）应力最小化   考虑材料各向异性的拓扑优化：a）强度各向异性 ；b）量化增材制造工艺参数   拓扑优化设计存在设计变量巨大、计算效率较低、求解困难、弱收敛等不足，现有拓扑优化算法往往难以输出可直接应用于增材制造的结构性能最优解，学者们往往基于最优拓扑构型进行二次简化设计，损失了结构性能。因此，结合并行计算技术，开展设计变量较少、收敛性较好的算法研究以输出可直接应用于增材制造的最优拓扑结构具有重要现实意义。 宏观拓扑优化与微观点阵结构研究日趋完善，将宏观拓扑优化设计与微观点阵结构有效融合，建立多尺度结构之间的高度衔接性，充分利用拓扑优化的高性能构型及增材制造提供的广阔设计空间，追求高性能的轻量化设计具有广阔发展前景。 考虑金属增材制造约束的拓扑优化方法采用较为理想的材料模型，与金属增材制造技术实际打印过程存在一定的差异，因此，通过建立多元工艺参数下的材料各向异性精准拓扑模型，量化金属增材制造设备工艺参数，模拟金属增材制造加工过程及预测零件翘曲变形与开裂，可有效减少残余应力与变形，改善成形精度与表面质量。 面向金属增材制造的拓扑优化往往是基于单一材料的优化，将多材料、拓扑优化及金属增材制造有效结合，研究功能梯度材料的拓扑优化设计与金属增材制造技术，实现材料、结构、工艺、性能一体化设计，是追求高性能、多功能、轻量化的又一突破点。 该文收录于《中国激光》2023年第12期。刘博宇, 王向明, 杨光, 邢本东. 面向金属增材制造的拓扑优化设计研究进展[J]. 中国激光, 2023, 50(12): 1202301.本文已获取作者及期刊特别授权，如有转载，请联系授权方。《中国激光》由中国科学院上海光学精密机械研究所和中国光学学会主办，创刊于1974年，是国内唯一一本全面报道激光技术领域最新研究成果的专业学报类期刊，被EI、ESCI、AJ、CA、INSPEC、Scopus、CSCD等检索系统收录。在光学领域唯一连续2次获得全国“百强科技期刊”，多次获得“百种中国杰出学术期刊”称号。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2021年获得了“第五届中国出版政府奖”期刊提名奖。面向国家重大发展需求，《中国激光》于2021年推出“前沿激光制造”专题刊，以强化国家战略科技力量，推动制造强国战略目标加速实现。“前沿激光制造”专题刊聚焦国内外激光制造领域的优秀成果，以前瞻视角为站位，以激光制造领域的战略性支撑技术为出发点，通过快速报道领域内的动态与发展趋势，推动激光制造领域的产学研创新发展。专题刊收稿范围包括：激光增材制造、激光微纳制造、激光成形制造、激光表面加工。欢迎各位老师持续关注。    欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.增材制造：拓扑优化与梯度点阵结构提升零部件附加值 2.案例剖析 | 拓扑优化与点阵填充实现轻量化的秘诀 3.整体化、轻量化与批量化 | 铂力特展示航空航天金属3D打印潜力与趋势 4.直接和间接3D打印部件，大量轻量化技术和材料——奔驰下一代电动汽车制造思路

空间通信领域的竞争日益激烈，不断开发创新产品成为趋势。该领域应用的领先机构Thales Alenia Space总结了为设计、制造和测试与增材制造工艺兼容的紧凑轻型波纹喇叭而进行的工作。该研究以减小喇叭尺寸并保持传统波纹喇叭的主要性能为目的开展，设计了具有新轮廓的波纹喇叭，并采用铝合金3D打印一体成型。最终喇叭的长度减少了35%，相关测量指标测试符合要求，这种新产品对空间应用非常有吸引力。 喇叭天线在卫星通信过程中可以避免干扰其他通信系统，波纹状喇叭始终提供非常宽的频率带宽、低交叉极化水平、低旁瓣水平和低回波损耗，使其成为许多应用中非常有吸引力的解决方案。在过去几年中，优化仿真工具的使用已成为紧凑型波纹喇叭天线设计的一场革命。目前，由于优化工具的高度发展，波纹喇叭通常不再通过预先确定的轮廓来定义，并且通常将优化集中在每个波纹的内外半径作为设计过程中的变量。然而，波纹喇叭天线的整体尺寸正成为真正的关键问题。过去，波纹喇叭通常由锥形轮廓定义，当必须设计具有窄波束宽度的喇叭时，传统的锥形轮廓是巨大的，因为它们会导致窄的喇叭角和大的孔径，组件的尺寸会很大、质量重、制造困难且昂贵。 3D打印的铝合金天线喇叭概念模型 使波纹喇叭更紧凑的一种方法是使用混合波纹水平和垂直波纹。与典型的波纹喇叭相比，这种喇叭天线使性能显著改进，获得了相同的辐射性能。近年来，增材制造在太空应用中显著增长。喇叭天线通常是通过将高导电材料（例如铜）电镀到巨大的心轴上来制造的，之后必须用化学方法将其移除。对于波纹喇叭天线，很明显这些方法在技术上要求很高，且很耗时。增材制造通过逐层构建克服了这些问题，这使得创建复杂结构成为可能。Thales Alenia Space介绍了一种紧凑轻便的C波段波纹喇叭天线的新设计，其外形结合了与3D打印兼容的轴向和径向波纹。所创建的天线喇叭中包含了晶格结构，这种方案使喇叭在不使用支撑结构的情况下与增材制造兼容。45°波纹的倾斜对喇叭的射频性能和打印都有直接影响，因此有必要通过修改每个倾斜波纹的深度来重新优化其轮廓。先前在基于超表面的喇叭设计方面的方法开发有助于识别和改进喇叭的优化。   具有轴向和径向波纹的喇叭剖面示例 参考喇叭天线与紧凑型天线的比较   支持径向波纹的格子结构 喇叭天线是在3D Systems的DMP Factory 500上制造的，其成形尺寸为500 x 500 x 500 毫米。零件的材料选择了AlSi10Mg，以60μm的层厚打印，在不到72小时内完成。通过应用DfAM原则（增材制造设计）以及多公司之间的良好合作，零件的功能特性避免了对临时支撑结构的需要。这减少了后处理时间，从而减少了制造成本。RF法兰接口的表面质量对于高性能至关重要，该零件经过了CNC加工。3D打印紧凑型喇叭天线 多年来，Thales Alenia Space已经确定了增材制造解决方案在太空天线应用中的潜力。2022年，超过1500个3D打印组件已安装在Thales Alenia Space卫星上。天线产品的高度可定制性推动了非经常性设计成本，而生产量相对较低。增材制造使设计人员能够实现质量节省、紧凑性和技术性能增强。对于天线组件，质量节省通常会导致组装时间减少，其影响不可低估。虽然增材制造确实有设计限制，但它提供了一种灵活性，即形式服从功能，从而提高射频性能。 使用增材制造的主要优点是设计紧凑，非常适合于太空应用。与传统制造技术相比，其他优势包括质量节省和整体零件设计以及缩短的交货时间。演示器的复杂设计给传统技术带来了很多制造风险，而DfAM方法大大降低了制造风险。在生产成本方面，增材制造解决方案与机加工解决方案不相上下。但随着3D打印技术的发展，生产率和生产成本都在得到改善。 总的来说，本文介绍了一种通过增材制造制造的紧凑型C波段波纹喇叭的颠覆性设计。轴向和径向波纹的特殊性允许显著减少喇叭长度，同时保持与传统喇叭相同的射频性能。这种设计为卫星通信带来了多种优势，减少体积和质量以及节省成本和制造进度。该设计也是可3D打印的，可实现生产形式的多样化。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.380万欧元！空客大手笔签订3D打印零件制造合同 2.超高温SLS｜聚合物粉床3D打印技术的重要发展，以史玉升教授团队技术为例 3.NASA投入新资金启动25项太空探索3D打印项目 4.62页成果下载：ASTM发布由NASA支持的增材制造现场监控技术战略指南

换热器最为一种热量传递设备，广泛用于航空航天、汽车、电力等诸多领域。传统换热器在优化方面已经做了大量工作，但在设计过程中受到几何造型、材料和制造工艺的限制，通常整个组件是由管道或金属板构成，必须考虑焊接、钎焊或螺栓连接等连接技术。   增材制造（AM）作为一种先进的制造技术，基于计算机辅助设计（CAD）的三维模型，遵循逐层制造过程，能够制造非常复杂设计的换热器。增材制造突破了换热器的外形设计，由于不需要考虑传统换热器的进出口与换热组件的连接工艺，异型进出口和应用全新设计理念的换热组件随之出现。 燃气轮机-逆流热交换器   历经三十多年的发展，增材制技术造突破了传统工艺和造型的限制，让换热器设计重心回归自身功能本身，一些增材产品常用的设计技术同样适用于高性能换热器的设计。   仿生技术 仿生技术被认为适用于增材制造换热器的路径设计。自然界中存在许多换热和传质现象，比如呼吸系统和血管系统，它们历经亿万年的进化，同时具备了高传热效率和低压降损失。这些系统管路都存在分形结构，流道结构相互重复，是一种分配流量非常有效的方法。分形仿生技术常用来解决换热器进口流量分布均匀性和降低流阻，有着较好的效果。   分形散热器，m代表重复次数 空间曲线填充 内壁面增加曲线状波纹是一种有效提升换热器换热效率的设计方法。曲线波纹构造出全新的内部流动区域，使得换热面积增大的同时在一定程度扰动了内部工质的流动状态。FASS曲线使用一个简单的逻辑定义，对图形重复具有良好的，常用于内壁的曲线的波纹创建。FASS是一类通过网格的每个点而不相交的曲线，代表空间填充、自避免、简单、自相似，具有分形行为，且每条线段都与整个曲线相似。 FASS 曲线四次迭代空间结构拓扑优化 拓扑优化是用数学的方法对给定区域内的材料进行分布优，在约束条件下寻找材料最佳的分布方案。散热器已经用拓扑优化寻找具有高传热效率和低压降流路的几何形状。但是拓扑优的最终方案通常外形结构非常复杂，传统的加工手段要么难以实现，要么实现成本过高，现实中更多的是依靠设计人员对拓扑结果二次设计，牺牲掉一些性能解决加工问题。增材制造的优势之一就是在不增加成本的情况下生产复杂的几何外形，因此它非常适合与拓扑优化结合使用，拓扑优化设计性能最优的散热流道，增材制造完成最终方案的生产。 流道拓扑优化 TPMS胞元结构设计 三周期极小区域（TPMS）是一种平均曲率为零的隐式周期曲面，可以用数学函数精确地表示出来，表面非常光滑，没有尖锐的边缘或连接。相同的TPMS的胞元填充在换热区域，三维空间被TPMS分成两个分离的连续区域，每一个区域都可以被视为一种换热流体，形成纵横交错又相互隔绝的两个流体域。  TPMS胞元类型D型胞元和G型胞元区域   G型胞元填充换热空间  孔隙率，比体积能够通过调整功能参数直接控制，不同的的孔隙率意味着可以调整TPMS孔隙率适用冷热工质不同的流量，平衡两侧的压降。光滑的表面、较大比体积、结构的完整性和良好的混合潜力使得TPMS成为高性能换热器较为理想的内部热流道，如下图所示。   航空冷油器增材制造 本文内容来自安世亚太，作者刘强是动力工程及工程热物理专业工学硕士，安世亚太DfAM赋能业务部流体仿真工程师，擅长三维流体仿真和流道拓扑优化，从事DfAM换热器流体仿真工作。 欢迎转发 主编微信：2396747576（请注明身份）; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.极速响应！国产3D打印数据处理软件功能大升级，满足更多工艺需求 2.90万欧元3D打印热交换器订单！ 3.一站式读懂如何为3D打印应用选择合适的聚合物材料 4.报名 | Formnext深圳增材制造展，超300企业+1.5万名观众+80场论坛

导读：具有轻量化设计的新型蜂窝晶格结构在汽车和航空航天领域越来越受到关注。近年来，该研究领域已经发现使用3D打印技术设计和制造的蜂窝结构具有高强度重量比等显著优势，同时增加了这些结构的多功能性。3D打印技术参考注意到，印度知名的韦洛尔理工学院于近日使用中国纵维立方的DLP设备进行了一项使用人工神经网络提高新型混合仿生3D打印晶格结构性能预测和实验验证方法的研究，相关文章发表于nature子刊scientific reports。   在具有体积或重量限制的情况下，产品性能、安全性、成本和环境影响会受到显著影响。离散开孔晶格结构正在成为这些问题的一类新兴解决方案，晶格结构相比固体材料具有众多优势，如轻质设计、高渗透性和对区域结构的直接控制，这种控制可以通过优化体积内的材料分布来提高结构的功效。从设计的角度来看，尺寸精度、残余应力、表面质量和微观结构是晶格结构的一些主要优势。这些因素影响整个结构的机械性能和其他关键特性，如表面积、孔隙率、流体动力学和材料使用等。因此，调整这些设计特性对于优化和预测这些结构在特定应用中的表现至关重要。 大多数早期研究都集中在自然结构的力学特性与其结构几何形状之间的联系，它们通常表现出相似的模式。这些结构的例子包括龟壳、骨小梁、海螺壳、鱼鳞、蜘蛛网、植物茎、竹树结构、木材等。低重量、周期性的开放晶格结构因其增强的性能而广泛应用于航空航天、汽车和医疗应用，这促使科学家开发出更加先进的结构以增强其性能，而这些结构的机械行为会受到晶胞形状、大小、相对密度和制造方法的影响。与封闭的基于壳的晶格结构相比，基于开放式支柱的晶格结构可以通过可控的刚度、更出色的SEA和更广泛的平台应力来提高机械质量。为了成功开发轻型桁架结构和蜂窝单元的计算机辅助设计模型，并优化结构以使其具有出色的刚度、强度和重量属性，当前的研究工作较为广泛。根据研究，晶格单元的拓扑结构或形式、材料的性质和晶格结构的相对密度是影响整体结构特征的三个关键因素。 在这项研究中，研究人员设计了一种新型混合型晶格结构，其灵感来自竹树结构中的圆形图案和类鱼物种真皮层上的重叠图案。其总共开发了16种不同类型的晶格结构，相关参数包括晶胞大小、厚度、重叠区域等，晶格结构尺寸限制为40×40×40mm的简单立方体。晶胞的大小和圆形区域的重叠对于单位晶胞计数至关重要，改变每个结构中的参数可能会导致每个特定晶格结构中的单位晶胞计数不同。 从鳄鱼皮观察到的竹树、鱼鳞和鳞片的新型混合仿生晶格细胞结构的演变 3D打印技术参考注意到，晶格结构采用Fusion 360软件进行建模，使用纵维立方开发的Anycubic photon mono 4k机型进行了相关结构的3D打印，该设备打印尺寸为130×80×165mm，凭借出色、可靠的打印能力深受市场欢迎。所设计的晶格单元壁厚为0.4-0.6mm，如果壁厚低于允许范围，则晶格单元打印失败，如壁厚超出了允许范围，在给定体积内将无法实现恒定重叠。4-6mm的参数圆直径范围是从竹签直径的灵感中考虑的，低于所考虑范围的直径不适合打印，超过范围则会减少给定体积内的晶胞数量，导致机械性能下降。 仿生结构的镶嵌视图   基于还原聚合的3D打印机和树脂材料的规格 样品的显微图像显示每个晶胞都获得了均匀的打印，精度测量显示这种打印方法可以可靠的制造外部尺寸与所需尺寸偏差小于0.5%的部件。对所有3D打印试件进行准静态压缩试验，计算各结构的能量吸收能力，并将机器学习技术（如人工神经网络 (ANN) 与 Levenberg–Marquardt 算法 (ANN-LM) ）应用于本研究，以预测晶格结构的能量吸收，相关参数包括重叠面积、壁厚和单元格尺寸。 ( a ) 新型混合仿生晶格结构的设计和建模( b ) 切片( c ) 使用3D打印机制作样本( d ) 准静态压缩测试( e) 3D打印样本在压缩载荷下的失效( f ) 样本的显微图像显示材料的均匀性 3D打印的不同规格的晶格结构 样本的制造和测试与预测值进行比较 人工神经网络是机器学习中快速发展的深度学习领域的一个特征，它可以从数据中学习的方式类似于我们神经系统中的神经元如何从过去的数据中学习并预测或分类的形式提供答复。人工神经网络用于包括图像识别、语音识别、机器翻译和医学诊断的多种活动。研究了3D打印晶格结构的特性以及它们在能量吸收应用中的预期用途，所选网络设计的性能证明了晶格结构的能量吸收能力的预测和实际测试结果非常相似。 总的来说，使用人工神经网络工具获得的结果得到了验证，可以成为晶格能量预测的有利工具，这可能是轻量化晶格设计的一种新方法。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.降低3D打印机使用门槛，纵维立方推出APP助力一键高质量打印，包含海量自有模型资源 2.8K最优光源+超高精细节！纵维立方最新光固化3D打印机上市 3.超高精与大尺寸并存！纵维立方光固化新品即将强势登场 4.年营收数亿 | 纵维立方7周年发布多款3D打印新品及新技术

近日，3D打印技术参考注意到，NASA透露了其正在使用人工智能（AI）进行太空任务组件设计的尝试，AI的参与不仅显著提升了组件的性能并使整个迭代过程大为缩短。 NASA表示，其已经在使用商用人工智能软件来协助工程师设计下一代航天器硬件，且将这些组件用于了天体物理气球观测站、空间天气监测器和太空望远镜的设计和建造，甚至火星样本返回任务等。由人工智能设计的航天器和任务组件完全不同于以往基于传统经验进行的设计，而更像是来自于科幻。它们重量更轻，能承受更高的结构载荷，并且开发零件所需的时间只是人类设计部件的一小部分。 将数月的工作压缩到几天或几小时内 材料工程师将由人工智能创建的设计称之为“进化结构”。在创建进化结构之前，计算机辅助设计 (CAD) 专家首先设置新对象的“禁区”参数，例如零件连接到航天器或其他仪器的位置，螺栓和配件规格，附属硬件和电子产品等。一旦定义了这些因素，人工智能就会将这些点连接起来，在短短一两个小时内完成复杂的结构设计。 人工智能辅助设计的先进结构 NASA的工程师将AI视为设计顾问，整个设计可以在人的监督下将数月的工作压缩到几天或几小时内。在传统的机械设计中，设计师会想出一个CAD模型来满足某些要求。然后，分析师将对其进行评估，这可能需要一周的时间。这个过程不断迭代，直到设计完成。最后，另一位专家将检查设计，确保它可以进行制造。 而生成式人工智能工具压缩了这个过程，它在内部自行完成所有这些工作，提出设计、分析、评估可制造性，在短短一个小时内进行30或40次迭代，而人的设计只能在一周内进行几次迭代。 EXCITE望远镜铝合金脚手架，弯曲的交叉加强结构旨在抵抗偏心力 工程师表示，与传统组件相比，这些进化的结构最多可减轻三分之二的重量，并且可以由商业供应商进行铣削加工。基于此，NASA可以进行原型部件的设计、分析和制造，并在短短一周内获得零件。与以往的工作方式相比，它的速度要快得多。 由AI设计的结构，还需要使用NASA的标准验证软件和流程对零件进行分析，以检测潜在的故障点。NASA工程师强调，由AI生成的设计仍然需要人的检查，因为有时算法会让结构过于单薄。但在应力分析之后，工程师发现由算法生成的部件没有人工设计所具有的应力集中，压力因素几乎比专家设计的零件低十倍。因此，AI实际上降低了风险。基于此，NASA已经在大量使用人工智能设计任务组件。 AI辅助设计+3D打印——NASA定制部件的理想解决方案 尽管很难确切知道生成式AI技术将在多大程度上成为NASA设计过程的一部分，但不可否认的是，这种设计方式将从根本上改变人类创造的方式。但3D打印又将在这个过程中发挥什么作用呢？ 测量和时域天体物理研究探索者 (STAR-X) 任务的结构支架NASA的工程师表示，“如果是汽车公司，你可能只会设计一种底盘结构并大批量生产，但NASA的需求并没有那么多，大量零件还需要定制。使用树脂和金属的3D打印将开启人工智能辅助设计的未来，使更大的组件成为可能，例如结构桁架、移动或展开的复杂系统或先进的精密光学器件。这些技术可以使NASA和商业合作伙伴在轨建造更大的部件，因为这些部件无法安装在标准运载火箭中，今后甚至可以在月球或火星上直接借助3D打印来制造零件。” 合并AI、3D打印以及外太空原位资源利用将提升太空服务、装配和制造能力。根据白宫科技政策办公室的相关国家战略和实施计划， 上述制造能力是美国太空基础设施发展的关键优先事项。 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.NASA借助AI开发出一种新型超高性能3D打印合金，耐温1093℃ 2.Fraunhofer：微结构级仿真可实现最佳3D打印工艺参数 3.视频：人工智能设计的超复杂结构火箭发动机3D打印过程 4.新技术使3D打印零件无损检测速度提高6倍，结果更精确

TCT亚洲3D打印展虽暂缓举办，但Oqton堃腾公布了本次展会丰富的软件应用解决方案。本期内容将展示该公司展位上的精彩内容。 Oqton展位现场预览 TCT Oqton展品/ 重磅新品，经典套餐 Oqton将根据TCT 亚洲展的相关通知继续参加该展会，同时还将在九月份亮相Essen、Formnext和CIIF展会。 2022 北京埃森焊接与切割展览会 Essen - 9 月 14-17 日 - 深圳国际会展中心 2022 深圳国际增材制造、粉末冶金与先进陶瓷展览会 Formnext - 9月14-16日 - 深圳国际会展中心 2022 中国国际工业博览会 CIIF - 9 月 26-30 日 - 国家会展中心（上海） 上述展会具体信息，请关注本公众号（Oqton堃腾智能制造）后续推送！ 扫描下方二维码，填写表单并截图，即可在接下来的任意一场Oqton展会活动中领取专属礼品一份。 欢迎转发 主编微信：2396747576; 硕博千人交流Q群：248112776；网址： 延伸阅读： 1.行业巨头云集Formnext增材制造展，多场重量级论坛，紧抓中国市场复苏机遇 2.中国汽车热交换器市场与3D打印制造潜力 3.致力于行业赋能者，汉邦科技全金属3D打印系列产品有哪些 4.Oqton将携丰富软件应用解决方案及重磅新品亮相TCT ASIA 2022

近日，3D打印技术参考注意到仿生制造的最新成果，意大利理工学院的研究人员开发了一种机械手，使用SLA 3D打印的仿生肌肉来模仿人类抓取物体，仅重8克的微型执行器举起了8kg的物体，这是其自身重量的1000倍。 在我国，华中科技大学史玉升教授团队近年来在Materials Today, Bioactive Materials、Acta Materialia、Engineering、Applied Materials Today等期刊上发表系列文章，发展了多场耦合的超材料结构设计方法，建立了仿生设计、有限元仿真、结构计算、实验验证与性能预测等模型，突破了多性能耦合设计约束限制，拓展了多性能设计与调控空间，为超材料设计与增材制造技术在航空航天、生物医疗等领域的应用奠定了理论基础。 超材料分类及典型应用 传统结构设计大多面向力学性能优化，在保证力学性能的同时实现轻量化。随着高端制造业的发展，构件面临极端服役环境，具有复杂化、整体化和多功能属性。多物理场耦合的多功能超材料设计逐渐发展起来。超材料结构往往极端复杂，具有宏微观跨尺度特点，传统制造技术难以实现，增材制造技术在制造这类复杂结构方面具有显著优势。团队在材料类期刊Materials Today上系统阐述了力学、声学等各类超材料基本原理和典型应用，介绍了典型超材料设计方法与增材制造工艺的研究进展，讨论了增材制造多场耦合超材料性能、超材料在设计方法方面的局限性、增材制造技术缺点以及超材料的发展趋势（Mater. Today, 2021, 50, 303-328）。 力学超材料 以功能为导向的结构设计，具有成本效益高、省时等优点，拥有较大的发展潜力。通过为给定单元和给定区域构造边界条件与优化目标，可拓扑设计出新型功能结构。团队提出了通过均匀化应变拓扑设计最大体模量力学微结构方法，并利用激光选区熔化（SLM）成功制备。通过准静态压缩试验，研究了拓扑优化超材料的力学性能和能量吸收能力。结果表明，随着晶格微结构单元数的增加，结构破坏机制从逐层断裂转变为45°倾斜断裂。拓扑优化的晶格结构的相对弹性模量为0.037，优于大多数已报道的晶格结构，设计的晶格结构在0.15应变下能量吸收效率达67.9%（J. Manuf. Process., 2020, 56: 1166–1177）。 基于晶格的力学超材料灵感来自原子的堆积和竹子的中空特征。（A） 晶格原子的微观形态；（B-C）竹子的宏观和微观形态特征；（D）仿生八重桁架力学超材料即便拥有先进的拓扑优化设计技术，当前的力学超材料性能仍远远落后于许多生物结构。受中空结构的强韧性竹子启发，通过SLM成形基于八重桁架力学超材料。在数值模拟的指导下，通过内外直径来实现仿生力学超材料轻量化，在低密度（1.25 g/cm3）下获得高压缩比强度（87.19 kN•m/kg），且不会在八重桁架结构配置中失去各向同性（di =0.59 mm，do=1.10 mm）。研究成果提供了一种仿生设计策略，实现具有各向同性及轻质高强力学的超材料设计与制备（Appl. Mater. Today, 2022, 26, 101268）。 声学超材料 吸声超材料在低频噪声吸收领域有着重要意义，传统吸声材料被制备后，其结构也随之固定，无法根据外界噪声频率变化做出相应吸收能力的调整。团队基于声音频率共振消声原理，通过设计迷宫式结构，采用FDM成形了吸声性能可调的低频吸声超材料，根据外接声波频率变化而动态调整结构，实现不同频率噪声的吸收，吸声频率在298-379 Hz宽频范围内可调（Chin. J. Mech. Eng.: Addit. Manuf. Front., 2022, 100036）。 五模超材料类流体声学性能结果。（A）块体钛合金声场云图；（B）五模超材料声场云图；（C）实验装置示意图；（D）总散射界面，定义为各方向散射功率与平面波入射功率的比值 材料是由周期性单胞组成的复杂结构，具有水或流体等有效物理性质，可有效调控水下声波的传输路径。团队研究了模拟流体的结构设计、五模超材料的形态特征、有限元法预测的应力分布、力学性能和变形机理；提出了一种两步优化策略设计五模超材料，建立了水下声波频散设计方法，研究成果在中船重工实现了原理验证（Engineering, 2020, 6, 56-67; Compos. Struct., 2019, 226, 111199）。热学超材料轻质高强兼具散热吸能超材料在航空航天和汽车应用中具有重要意义。团队受柚皮对果肉屏蔽保护的启发，提出了柚皮微结构仿生多面体超材料设计方法，实现了优异的散热和吸能效果。 图4受柚皮图形启发的多面体晶格结构的形态演变：（A）自然界中的柚子；（B）柚皮的形态；（C）受柚皮图形启发的多面体单元；（D）具有各种横截面形状的设计支柱 在实验和数值模拟的指导下，具有圆形支柱的超材料在Re=7000–30000时具有最高的努塞尔数、最低的压降和摩擦系数，表现出更高的散热指数；在0.92孔隙率下，热效率系数超过1，表现出较强的隔热能力。此外，具有圆形支柱的仿生多面体结构的比能量吸收超越传统点阵结构，在燃气轮机和冷却结构上有着重要应用前景（Adv. Mater. Technol. 2022, 2200076）。 生物超材料 孔隙率、模量、骨组织再生、应力屏蔽是骨支架设计中重点考虑的约束条件，团队提出了一种双锥支柱设计策略，减少类金刚石多孔金属生物材料的应力屏蔽，同时保持不变的孔隙率。设计的生物超材料骨支架的弹性模量和屈服强度，与传统金刚石晶格相比分别低41.46%和46.42%，有利于骨支架力学性能与宿主骨匹配，避免了应力屏蔽（Int. J. Mech. Sci., 2021, 197, 106331）。海胆棘及其仿生生物超材料支架的拓扑形态：海胆棘的针状外观和梯度孔隙的内部结构。 （A）光学图像显示了海胆脊椎的自然特征； （B）微观计算机断层扫描（CT）图像在水平视图和纵向视图中显示内部分级孔隙度； （C）SEM图像在（c1-c2）剖面图中显示了精细的内部形态； （D）植入物内多孔支架位置示意图； （E）仿生梯度生物五模超材料支架； （F）…

近日，传热专家Conflux Technology宣布推出其首款热交换器3D打印产品——一款优质、可扩展、可配置、超高性能的水增压空气冷却器，其性能相比传统产品大大领先，适用于赛车运动和高端汽车市场。Conflux针对特定客户的要求进行配置，并以性能、有竞争力的价格和快速交付为突出特色。 建立在Conflux 先前的热交换器研发的基础上，其水增压空气冷却器旨在冷却进入用于增压某些汽车发动机的涡轮增压器的空气。据称，利用3D打印技术，该公司不仅能够优化设备的重量和性能，还能够扩展其尺寸，使其能够融入高端汽车制造商的现有设计。 与领先的微管相比，Conflux 的水增压空气冷却器的核心体积减少 15%，空气侧压降减少24%，冷却剂压降减少82%，湿重减少39%，干重减少31%。 传统制造无法实现的复杂几何形状和微观特征推动了3D打印热交换器的发展，翅片和薄壁设计可适应整个热交换器中不断变化的流体动力学。通过在通道内添加或减少翅片和混合结构来改变表面积密度可以微调性能，并且由于向热交换器供应流体的管道是圆形的，因此环形设计确保整个交换器的流动均匀。同时，通过优化流体分布和流动的整体设计增强了堆芯内部的高表面积与质量比，每单位重量或体积提供更多的热交换。 更薄、更精简、高性能 热交换器的性能随着壁的变薄而提高。薄壁允许在不增加阻塞的情况下增加表面积，或者在不增加压降的情况下保持表面积并减小零件尺寸。薄壁也意味着较低的零件质量，这是许多客户的关键考虑因素。激光粉末床熔融技术可以制造厚度不到1mm的薄壁结构，使热交换器的性能提高成为可能。 环形设计的复杂几何形状给仿真带来了沉重负担，在软件性能和计算能力方面造成了另一个瓶颈。考虑到SLM技术制造零件的表面粗糙度，工程师需要准确预测结果，特别是给定几何形状的压降。表面粗糙度通常通过增加混合和表面积来提高传热性能。然而，在小的特征距离处，它会增加压降。3D打印技术参考也曾介绍过当前该技术制造零件所存在的固有缺陷将对热交换器的性能产生影响。 工程师通过从其他热交换器的测试中建立一个大型相关数据库来实现预测的准确性，然后将这些数据带回模拟以查找结果之间的差异。这种方法能够模拟优化基本核心设计，并确保与实际结果密切相关。 环形热交换器制造成功的关键 3D打印技术参考了解到，环形热交换器制造成功的关键还在于创建可靠的参数集、3D打印工艺配置，以实现一致的厚度和气密结构。使用SLM技术，粉末残留不可避免，鉴于圆环的复杂几何形状，需要找到一种方法来完全去除，否则残留粉末会阻碍流体流动。 热交换器的性能是通过两个流体通道之间的热传递来衡量的。无论是冷却还是加热流体，出口温度都会量化热交换效率。目标是满足尽可能高的热交换和尽可能低的压降，以最大限度地提高性能。 除了热交换和压降之外，制造最小、最轻的部件在工程中通常非常重要，特别是对于赛车运动和其他要求苛刻的应用。 注：本文内容来由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext展览会解锁增材智造新技能！ 2.3D打印复杂结构热交换器并将其一分为二 3.美国家增材创新中心：借助衍生式设计平台能创建出怎样的高级热交换器 4.3D打印的固有制造缺陷使其还无法完全替代热交换器的传统制造技术

Aerospike发动机，又称气动塞式火箭发动机，可以说是为火箭单级入轨而生（单级入轨：是指从地面起飞并能加速到第一宇宙速度直接把有效载荷送入轨道并返回地面可重复使用的单级火箭），能够在高海拔范围内保持效率。使用气动塞式发动机的飞行器可以在低空飞行时节省25-30%的燃料。然而，迄今为止，虽然有一些大规模的气动塞式发动机正在测试，但还没有商业化生产。 Aerospike发动机可以说是一种高效的新型火箭发动机，它的长度只有常规钟型火箭发动机的四分之一，重量只有航天飞机一个主发动机的三分之二。由于喷嘴的独特设计，排气气体总是最优化地膨胀。也有研究指出，与目前使用的喇叭形喷嘴相比，这种独特的性能使效率提高了15%。换句话说，只需要少15%的燃料就能将同样的质量送入轨道。 澳大利亚陆军3D打印的 In718 Aerospike发动机 3D打印技术参考查询资料发现，自20世纪50年代第一次提出气动塞式发动机理论以来，其一直是火箭科学家追求的“圣杯”，但没有一个曾经成功飞行。美国国家航空航天局、美国空军和Rocketdyne在20世纪50年代、60年代和70年代总共花费了5亿多美元开发气动塞式发动机，并在80年代和90年代进行了数十次热火测试，然而由于各种原因，项目都被取消。制造方法是重要的限制因素，此外，制造这种发动机的成本非常高，对制造方法硬件的可靠性要求很高。 近年来，一些研究机构和商业航天公司采用金属3D打印技术设计制造了具有再生冷却系统的Aerospike发动机，3D打印大大降低了成本，同时赋予了更多设计自由，成功制造了以前无法制造的结构。 3D打印的Aerospike 发动机的结构 2017年，来自澳大利亚的莫纳什大学的工程师团队在短短四个月内成功地完成设计、3D打印、组装和测试了Aerospike发动机。 2021年 11 月，欧洲小型运载火箭初创公司Pangea Aerospace宣布成功测试了一种小型的由甲烷和液氧驱动的Aerospike发动机，该发动机采用NASA开发的GRCop-42铜合金3D打印，由Aenium公司提供制造服务。 Pangea Aerospace开发的3D打印Aerospike发动机 2022年5月，3D打印技术参考获悉EOS与 Hyperganic合作，通过计算机算法和人工智能创建了一件结构极其复杂的Aerospike火箭发动机。EOS 分别使用M400-4和AMCM M4K系统打印了IN718和铜合金的Aerospike火箭发动机，发动机高80厘米。 EOS与 Hyperganic合作创建的Aerospike火箭发动机 发动机细节部分 发动机细节部分 通过展示可以看出，这款发动机的结构极其复杂，具有大长径比的薄壁、蜂窝点阵及再生冷却流道。两家合作伙伴都表示，将这种设计复杂性与这种规模的可靠打印能力相结合，将推动新的创新。 气动塞式发动机是火箭推进领域的巨大进步，但其结构通过传统制造技术很难构建，通过3D打印技术，可以创造复杂的几何形状，包括机加工容易形成干涉的部位通过3D打印技术可以得到有效的解决。3D打印自由制造的特点为该新型火箭发动机的研究与制造掀起了新的热潮。 关注 视频号 了解最新技术应用 注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请依据转载须知。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext解锁增材智造新技能！ 2.增材制造研究机构鲁汶大学使用集成化的3DXpert来减少对其他软件的依赖 3.拜登打卡以采用SLM 3D打印大尺寸金属部件著称的Sintavia，及新政策启示 4.增材制造路线图：迈向智能化、信息化和工业化

Aerojet Rocketdyne（洛克达因）被公认为是美国航空航天和国防领域的领导者，主要服务于导弹、太空探索、国防和军备市场。其知名项目包括为NASA阿尔忒弥斯重返月球计划开发太空发射系统（SLS），以及为美国高超声速武器提供超燃冲压发动机等。 值得注意的是，在其最新的宣传中，洛克达因均将3D打印技术用于以上两个项目的相关研究和制造中。 为最新高超声速武器3D打印超燃冲压发动机，零件数量减少95% 2022年3月中旬，美国成功测试一枚高超声速导弹，但因目下皆知的局势原因未及时公布消息。这枚由洛克希德·马丁公司生产的高超音速巡航导弹从B52轰炸机上发射，以大于5马赫的速度飞行，飞行高度超过19812米，飞行距离超过482.8千米。该超声速导弹由Aerojet Rocketdyne超燃冲压发动机提供动力，而该发动机的制造采用了3D打印技术。 洛克达因表示，通过使用创新的制造技术和材料，他们不仅提高了产品性能，同时大幅降低了成本和开发时间。而在此次测试中所使用的超燃冲压发动机因使用3D打印技术，使零件的数量相比此前X-51A Waverider（美国另一款高超声速武器）的发动机零件减少了95%。 再生冷却薄壁夹层结构 超燃冲压发动机的功能要求其采用再生冷却热防护技术，即燃烧室外层需要覆盖精密流道，以实现燃料对燃烧室的冷却，因此其结构非常复杂。采用传统工艺制备，需要将其分解成数量众多的零部件、加工成型后经由复杂装备得到，由此，复杂的装配尺寸链传递将直接导致相关零部件需要具备非常高的加工精度，而且加工与装配消耗的时间也将导致燃烧室制备周期相对漫长，此外大量的零部件装配势必引入较多的附加质量，这些无效质量将使整台发动机的有效推重比降低。 超燃冲压发动机测试过程 这种特殊的结构特点非常适合采用3D打印进行一体化制造，这也是零件数量大幅减少的原因。同时，也为更好的气动热性能、制造的可负担性、可扩展性和快速制造创造了条件。实际上，不仅洛克达因，其他多个国家都在采用3D打印技术开发适用于高超声速武器的超燃冲压发动机。 为 NASA 3D打印太空发动机关键部件，质量、尺寸、成本均大幅降低 除了武器装备，洛克达因还为太空任务提供服务。本月，该公司透露使用金属3D打印技术制造了更小更轻的飞行器关键部件。最新公布的这个案例是阿尔忒弥斯计划的一部分，所制造的部分被称为“四重”反应控制系统，包括四个单独的推进器，能够控制航天器在飞行过程中的滚动、俯仰和偏航。该部件最初是为阿波罗任务创建，已有60年历史，项目团队希望重新设计并采用增材制造以提高效率。Aerojet Rocketdyne团队希望使推进器更可靠，减少整体零件数量，使它们更易于组装和维修，同时还要减轻重量。 公司航空航天工程师兼任务架构师表示，在整个阿波罗计划期间，美国宇航局生产了650多个这种推进器来支持六次登月，花费了巨额资金，然而对于所有复杂的任务，越是负担的起，确保完成的机会就越大，而金属3D打印在此方面发挥了关键作用。 四推进器模块传统与现代的设计 重量减轻可以降低发射成本，同时还允许在飞行器上放置更多组件，从而可能延长服务期或提高其任务能力。而易于组装则将降低制造成本，特别是可能面临整体项目时间表经常被压缩的情况，同时由于组装工作通常需要在洁净室环境中进行，因此易于组装非常重要。 零件数量的减少使公司更容易迭代新设计，这也意味着需要制作的工具要少得多。这显著减少了工艺开发的时间并降低了成本，更少的零件意味着更少的流程和工艺步骤，以及更少的零件和材料之间的相互依赖性。只要3D打印步骤得到很好的控制，就可能更容易达到目标。这确实意味着将风险更多地集中在作为一项技术的3D打印上，但这可能意味着更少的紧固件、焊缝、胶水和其他材料的相互作用而导致的意外故障。 优化的喷射器模块内部结构 然而，所有因制造产生的成本都是其次，因为太空任务过于昂贵，如若部件发生损坏则需要人员在外太空修理，其中的风险可想而知。3D打印一体化设计和制造将这些可能的风险尽量排除，并能够增加器件的安全性。 Aerojet Rocketdyne在初步优化后采用IN718打印了概念模型，但由于悬垂问题，工程师不得不添加大量支撑来防止热变形，此后还需要去除支撑，这不仅增加了产品成本且对表面质量造成了影响。项目团队认为仍有大量轻量化和拓扑优化的空间，即便在重新设计过程中消除了大块不必要的材料，但仍不完美。最终Aerojet Rocketdyne选择与nTolpology为该项目的推进器进行重新设计，并由Velo3D提供制造服务。 优化的喷射器块的横截面 nTopology的技术人员对“外壳”喷射器主体的块状结构进行了进一步优化，在复杂流体端口和通道周围留下一致的壁厚，同时消除应力集中区域，并采用晶格结构填充由此产生的空隙，增加了它的强度和刚度。 Velo3D在业内以无支撑打印而闻名，且拥有独特的解决方案来减轻打印材料内累积的内应力，是少数能够成功打印大型复杂钛零件而不会开裂的金属增材制造系统供应商之一。最终3D打印的钛合金结构优化推进器在重量、尺寸、制造成本方面均大幅降低：与传统制造版本相比，质量仅有以前的1/5，尺寸减小了一半，制造成本也仅是此前的1/3。而且由于它包含的组件少得多，因此组装起来也更容易，在操作过程中发生故障的机会也更少。   实际打印的喷射器结构 实际打印的喷射器结构 项目团队人员表示，通过利用增材制造和先进的软件技术，与过去制造零件的方式相比，3D打印能够增加可负担性、缩短交货时间并大大提高系统性能。他们的下一步是演示这个概念模型，并将进行实际测试。 END 洛克达因公司在二十多年来一直致力于将3D打印技术整合到其火箭发动机、导弹和战术防御系统的生产过程中。公司的增材制造团队使用GE旗下Concept Laser以及EOS和Velo3D的装备来满足3D打印制造需求。洛克达因高级项目经理在2020年就表示，公司多年来不断加深对3D打印材料、工艺及设计的理解，掌握不同系统组件使用温度范围（-254~3316℃）内的材料特点，彼时已开发了至少11种合金；其他还包括如何依赖设计实现组件整体、一体化制造，从中节省成本、加速设计迭代。 注：视频演示请查看3D打印技术参考视频号。欢迎转发 主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址： 延伸阅读： 1.2022 TCT亚洲展现已开放观众预约参观 2.上百家3D打印企业！9月14-16日Formnext + PM South China解锁增材智造新技能！ 3.兵器：3D打印助力巡航导弹等高超声速武器制造 4.中国日报海外版：3D打印加速中国导弹生产