王 佐，杜 平，朱麗君，梁 雄，羅 勇，李雙壽

（1. 清華大學(xué) 基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心，北京 100084；2. 清華大學(xué) 摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

1 引言

增材制造，通常也被稱作為3D打印或快速成型，發(fā)明于20世紀(jì)80年代。與傳統(tǒng)制造工藝不同，增材制造技術(shù)以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將三維零件分層切片，再以逐層堆積材料的方式進(jìn)行制造。這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)零件的無模具化制作、異形且復(fù)雜的形狀制作和近凈成型等方面，有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢；而其在輕量化制造領(lǐng)域的特點(diǎn)更是尤為突出。

在傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)中，“通過替代材料減輕重量”一直被作為指導(dǎo)原則，即從基本粒子層面出發(fā)，尋找新的具有更低密度、更高比強(qiáng)度和比剛度的金屬、聚合物和陶瓷等材料來替代現(xiàn)有材料，因此輕量化設(shè)計(jì)的附加值來自材料創(chuàng)新。例如航空航天材料就經(jīng)歷了從鋼鐵材料為主到以鋁合金、鈦合金、鎂合金、工程塑料以及復(fù)合材料等為主的發(fā)展過程。通過尋求新材料從而實(shí)現(xiàn)減重的方法，其發(fā)展時(shí)間較長、較為成熟，雖然仍能夠有所突破但是難以取得跨越式的進(jìn)展。

而現(xiàn)代輕量化設(shè)計(jì)會(huì)考慮整個(gè)系統(tǒng)，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在概念階段就已經(jīng)專注于減輕重量。這種設(shè)計(jì)理念通常包括兩種方式，其一是通過設(shè)計(jì)宏觀材料的微觀結(jié)構(gòu)、空間幾何布置等特性而獲得構(gòu)造化材料。另一種方式則是通過拓?fù)鋬?yōu)化方法得到給定問題下最優(yōu)的材料空間分布狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。

構(gòu)造化材料的典型代表是具有多孔特性的鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。它兼?zhèn)涑p、高強(qiáng)等優(yōu)異力學(xué)性能并可實(shí)現(xiàn)降噪、散熱等特殊性能，在航空航天與國防工業(yè)、汽車制造業(yè)、生物醫(yī)療行業(yè)和建筑業(yè)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的幾何形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的制造技術(shù)難以直接對其進(jìn)行加工制造，如擠壓和模塑，這大大的限制了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用與發(fā)展。而增材制造技術(shù)則為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備提供了極大的靈活性。這種材料由下至上逐層累加的制造方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高度復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的自由“生長”成形，特別適合用于成形鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了產(chǎn)品的可制造空間，以鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為代表的現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使人們在概念設(shè)計(jì)階段就能夠考慮減重要求，二者結(jié)合具有天然優(yōu)勢。

使用增材制造專用軟件Magics，以一款典型的機(jī)械連桿零件為例，詳細(xì)研究了鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)方法，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析對比。

2 鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

所謂鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，是指由大量形狀相同或相似的晶格單元通過某種形式的周期性排列而形成的多孔結(jié)構(gòu)，自然界的骨骼和具有鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的機(jī)械零件如圖 1 所示。自然界中存在天然的鏤空結(jié)構(gòu)，如蜂巢、骨骼、海綿以及皮膚等。鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工程強(qiáng)度、韌性、耐久性、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)性能以及制造費(fèi)用的完美平衡。鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的首要功能是實(shí)現(xiàn)零件的減重。將零件內(nèi)部用晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)填充，減輕重量、節(jié)省材料和加工時(shí)間（與原有實(shí)心零件相比較）。三維鏤空結(jié)構(gòu)還具有高度的空間對稱性，可將外部載荷均勻分解，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)保證承載能力。

圖 1 自然界的骨骼和具有鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的機(jī)械零件

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)除了具有非常顯著的輕量化應(yīng)用前景外，通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出了非常好的多功能特性。點(diǎn)陣可以通過內(nèi)部大變形，更好地吸收能量來實(shí)現(xiàn)減震、抗沖擊性能。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有很高的比表面積，可以作為散熱或主動(dòng)致冷通道，在強(qiáng)制對流下具有優(yōu)良的傳熱性能；對點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)孔隙進(jìn)行隔熱纖維填充，又能起到優(yōu)良的隔熱效果。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)間具有大小可調(diào)的空間孔隙，在醫(yī)療植入物的應(yīng)用方面，可以便于組織與植入物的融合。

鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟包括晶格定義、框架生成及鏤空實(shí)體生成三部分，鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)生成如圖 2 所示，其中晶格單元是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)。

圖 2 鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)生成示意圖

鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊需解決的核心問題包含以下3點(diǎn)：

（1）典型晶格設(shè)計(jì)

晶格是鏤空結(jié)構(gòu)最基本的組成單元，根據(jù)晶格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，需支持從2.5 D到3 D的多種單元類型，同時(shí)還需支持不同的晶格支柱梁截面形狀。此外，為了提高設(shè)計(jì)自由度，最好還能提供用戶自定義晶格功能。

（2）框架結(jié)構(gòu)生成

框架確定了晶格單元在設(shè)計(jì)域內(nèi)的填充路徑，是根據(jù)給定的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件，快速構(gòu)造框架的一種技術(shù)。框架生成技術(shù)需解決在給定晶格類型、晶格尺寸及晶格數(shù)量后，生成基本的晶格箱框架，包括規(guī)則的方形或圓柱形框架，以及復(fù)雜的貼合曲面曲率的隨型框架等。

（3）鏤空結(jié)構(gòu)實(shí)體生成

由晶格組裝成的模型是設(shè)計(jì)空間內(nèi)的線框骨架由邊線和端點(diǎn)組成。該線框模型需加厚給定尺寸以轉(zhuǎn)換成實(shí)體。加厚處理是遍歷線框中的邊線，在邊線基礎(chǔ)上生成截面是圓形或其他形狀的桿件。具體分為均勻密度結(jié)構(gòu)及變密度結(jié)構(gòu)等。

3 軟件介紹

Magics是一款針對增材制造的通用數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和STL編輯軟件，具備STL文件格式轉(zhuǎn)換、修復(fù)、設(shè)計(jì)編輯和打印平臺(tái)準(zhǔn)備等多項(xiàng)功能，Magics在增材制造流程中的作用如圖3所示。

圖 3 Magics在增材制造流程中的作用

3.1 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

支持幾乎所有文檔格式導(dǎo)入，保留原始色彩信息，保持原始數(shù)據(jù)的控制。

3.2 文件修復(fù)

保留原設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)條件下修復(fù)錯(cuò)誤。STL文件修復(fù)包括壁厚分析以及修復(fù)反向三角面片、壞邊、補(bǔ)洞及其他錯(cuò)誤。

3.3 模型編輯和強(qiáng)化

可增加標(biāo)簽、序列號(hào)并且對零件進(jìn)行抽殼（自支撐結(jié)構(gòu)抽殼）、應(yīng)用紋理、建立點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、進(jìn)行布爾運(yùn)算以及進(jìn)行高級切割等功能。

3.4 構(gòu)建平臺(tái)準(zhǔn)備

在平臺(tái)上擺放的各種工具包括復(fù)制部件，調(diào)整位置等。對金屬件和光固化件生成支撐，對激光燒結(jié)件進(jìn)行3D自動(dòng)擺放，此外還能創(chuàng)建非加工區(qū)域等。

3.5 報(bào)告生成

確保打出最好的零件。具備部件測量、切片查看、碰撞檢測、平臺(tái)保存和必要報(bào)告生成等功能。確保交付的部件滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和公差要求。

Magics 在 21 版新增了鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能模塊，提供20多種內(nèi)置晶格單元和豐富的選項(xiàng)。

4 鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例操作

以Magics 21版本為例，創(chuàng)建鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3個(gè)步驟，包括定議外殼、選擇結(jié)構(gòu)和排沙孔。

4.1 定義外殼

“定義外殼”窗口中，可以設(shè)定是否保留零件的外殼。“無外殼”表示零件將完全被晶格替換。系統(tǒng)默認(rèn)為“有外殼”，在此命令下，先要進(jìn)行殼體相關(guān)參數(shù)（如厚度、方向等）定義，如圖4所示。

圖 4 定義外殼

4.2 選擇結(jié)構(gòu)

“選擇結(jié)構(gòu)”窗口中，可選擇軟件晶格庫中自帶的類型，也可向庫里添加/刪除外部自定義的結(jié)構(gòu)；每個(gè)晶格類型還可進(jìn)行“結(jié)構(gòu)尺寸”“同比例”等參數(shù)定義，選擇結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。Magics 22版本中還增加了“蜂巢”結(jié)構(gòu)，將實(shí)體零件內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)榉涑步Y(jié)構(gòu)，在減輕零件重量和材料損耗的同時(shí)保證零件的強(qiáng)度和功能。

4.3 排沙孔

為了將殼體內(nèi)部未成型的粉末或液體材料排放出來，還要進(jìn)行排沙孔設(shè)置，排沙孔如圖 6 所示。

以機(jī)械產(chǎn)品中的典型連桿零件為例，進(jìn)行了鏤空點(diǎn)陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。晶格單元使用diamond 20 percent relative，如圖7所示，將連桿內(nèi)部轉(zhuǎn)化為鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)37%的減重比。具體模型前后對比參數(shù)詳見表1，鏤空晶格模型參數(shù)選擇見表2。

表 1 模型晶格參數(shù)設(shè)置前后數(shù)據(jù)對比

?

表 2 鏤空參數(shù)選擇

?

圖 5 選擇結(jié)構(gòu)

圖 6 排沙孔

圖 7 晶體單元（diamond 20 percent relative density）

5 結(jié)束語

通過以上案例研究，Magics 軟件在鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面最大的優(yōu)點(diǎn)是豐富的晶格單元庫，提供20多種內(nèi)置晶格單元，還支持導(dǎo)入外部自制晶格?？梢栽O(shè)置有或沒有外殼，晶格替換零件內(nèi)部或零件減去晶格點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。同時(shí)考慮到零件內(nèi)部未成形材料的去除工藝。但是 Magics 軟件的鏤空結(jié)構(gòu)功能比較基礎(chǔ)，只能制作規(guī)則的矩形點(diǎn)陣，不能設(shè)計(jì)自由點(diǎn)陣，跟隨零件外形的點(diǎn)陣，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果自動(dòng)調(diào)整點(diǎn)陣密度。

目前業(yè)界已有多款軟件提供了鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能，按照軟件的應(yīng)用領(lǐng)域大致分為兩種：通用 CAD 軟件和增材制造專用軟件。通用 CAD 軟件的特點(diǎn)是模型設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，CAD 軟件將其功能擴(kuò)展，增加鏤空設(shè)計(jì)模塊，其功能上更靈活，應(yīng)用其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能，能夠靈活地對要設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行建模和修改，以更好地滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)CAD 軟件提供了多種晶格類型選擇，使用戶能夠在進(jìn)行CAD 建模之后就能馬上進(jìn)行鏤空設(shè)計(jì)，有很好的便利性，但同時(shí) CAD 軟件不是專業(yè)的增材制造設(shè)計(jì)軟件，在增材制造相關(guān)的工藝方面，其功能有所欠缺。此時(shí)增材制造專用的設(shè)計(jì)軟件，如 Magics 的優(yōu)勢便凸顯出來，雖然沒有像通用CAD軟件一樣擁有強(qiáng)大的建模功能，但有增材制造工藝的專業(yè)性，提供了“排沙孔”“有無外殼”等增材制造相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)，因此可以更好的為增材制造的設(shè)計(jì)進(jìn)行服務(wù)。