3D打印中的结构优化简介

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对于弥合数字世界与物理世界之间的差距，其中一个重要挑战就是将原材料变成设计者想要的结果。无数个点、泣、面及相应的材质信息构成了数字世界中的原材料，而在真实世界中却不是如此简单和容易掌控的。上述问题的一个常见办法是组合多种材料。事实上，不同材料沮合的联合打印可以消除传统单一材料打印的不足与局限，使我们能够制造更加复杂的物体，甚至能使这些多元材料转化为复杂的、新的功能材料，如同时兼具轻质和髙强度性能的材料，或同时具备良好柔初性和透明效果的材料等。组合材料的性能给人直观感觉可能会介于组成的基础材料之间，如将相等的硬质材料和软质材料组合在一起，可能你会得到一个半硬半软的材料。事实证明并不完全如此，最终组合材料的性能取决于组合材料的方式。

3D打印中的结构优化简介
人类一直都在追求材料的有效与最大利用，因此，科学、合理、经济的结构一直是工程和设计人员的设计目标。正因为这样，在设计领域，结构优化始终是一个重要研究课题。随着优化技术、计算机技术和有限元计算方法的不断完善与成巧，结构优化技术在近几十年有了巨大的发展。

传统的结构优化是在给定的材料和设计域等设计约束下，通过优化技术与方法，得到既能满足设计约束又能使结构的某方面性能目标达到最优的结构分布型式。在传统生产过程中，优化设计与最后制造的产品之间还存在一定的距离，也即结构优化后的设计结果并不一定能被传统制造技术生产出来。这是因为优化结果受优化技术影响，没有考虑制造技术上的一些约束或要求。

与传统制造技术相比，3D打印对制造的约束条件大大降低，因此，3D打印为结构优化技术提供了良好的用武么地。反过来，结构优化对3D打印的意义与作用也非比寻常。一方面，3D模型是3D打印的基础，通过结构优化可消除3D模型上的缺陷，使其具有更好的强度、变形性能和稳定性，满足打印或正常使用中的性能要求。另一方面，3D模型通过结构优化既能满足强度和其他性能要求，还能减少打印材料消耗，缩短打印时间。因此，结构优化能有效降低3D打印的打印成本，节约打印资源和能源，这对于3D打印的更好普及与应用有重要作用。

3D打印中的结构优化与传统结构优化问题在本质上相同，都需要考虑材料的最优分布来满足受力与使用要求。但两者在一些具体问题上还有些区别，如优化对象、优化目标和3D打印的特殊要求等方面。

优化对象：传统结构优化的优化对象是整个设计域，而设计域一般而言，无需区分内外表面。与此不同的是，3D打印模型的结构优化要求在优化过程中保持外表面不变，而主要针对内部空间进行优化，从而实现优化后模型在外观不变的条件下还能很好地节约打印材料的目的。同时，对3D打印来说，外表面还有一个最小打印厚度要求，也必须在优化时予以考虑。

优化目标：传统结构优化的目标一般是在给定材料体积约束下使结构的刚度最大，刚度最大在数学上巧表达为柔度最小。这里的体积约束常以优化前后横型的体积比给出。对3D打印来说，人们总是希望在给定材料与荷载条件下，模型在满足刚度、强度要求的同时，能达到模型打巧所用材料最少，也即体积最小。因此，3D打印结构优化的目标首选为体积最小。

3D打印的特殊要求：传统结构优化一般是在给定荷栽与边界条件下对设计对象进行优化即可，无需考巧对象的稳定性。而对3D打印模型来说，由于模型最终优化结果必须能按照使用要求，从某种指定的摆放状态稳定地放置或悬挂，因此，良好的稳定性也是3D打印结构优化中需要考虑的一个重要约束条件。另外，由于打印材料都存一个最小打印厚度要求，因此对优化产生的内部结构也要求能满足最小厚度要求。

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更新时间: 2019-09-30 14:35:29 查看次数: 507