3D 列印-增材製造 （AM） 已被用於構建具有多種材料和功能的複雜物體。AM-增材製造為複雜幾何特徵的創新結構設計的製造提供了巨大的機會。根據3D科學谷的市場觀察，由於傳統的設計方法（如引數化結構最佳化）在設計具有不規則、多尺度幾何特徵的 3D 結構方面的能力有限，通常難以快速的設計非常適合3D列印的那些複雜結構。

為解決此問題，市場上已使用拓撲最佳化 （TO）和創成式設計軟體來實現複雜的幾何結構設計。其中，拓撲最佳化 （TO） 是一種數學方法，針對給定的一組載荷、邊界條件和約束，在給定的設計空間內最佳化材料佈局，以最大限度地提高系統的效能，TO可以透過將材料分配到最佳位置來促進重量減輕。本期谷。專欄，結合福特申請的《Modifying additively manufactured part designs using topological analyses》專利，來一起了解如何快速的將固體材料、空隙和晶格單元分配到最佳位置。

點陣結構材料由於在熱、電和光學效能等方面具有的優勢，以及作為潛在的輕量化材料而受到人們關注。點陣結構，為實現零部件不同的外觀和效能打開了一扇門。點陣結構所固有的複雜性，使得增材製造/3D列印技術與其製造有著天然的結合點。3D列印的一大優勢是靈活性以及列印成本對產品的複雜性不敏感，這也是複雜的點陣結構成為3D列印領域的一大熱門研究方向的主要原因。

© 3D科學谷白皮書

/為增材製造而最佳化的拓撲最佳化/資料執行緒© 福特含點陣結構的汽車用熱交換器

目前，用於AM-增材製造設計的現有拓撲最佳化工具遇到了一些普遍的問題：

首先，傳統的拓撲最佳化方法（例如基於梯度的方法）總是在最終設計中生成“灰色”元素。理想情況下，最終設計中應該只有兩種型別的元素：代表空隙的“白色”元素 （0） 和代表固體材料的“黑色”元素 （1）。然而，現有的軟體工具會生成值介於 0 和 1 之間的“灰色”元素。在工程實踐中，設計人員總是手動設定閾值來將灰色元素分類為 0 或 1。

其次，雖然現有的軟體工具提供了用晶格單元替換“灰色”元素的能力，但還沒有使用任何工具來根據增材製造裝置和方法的製造能力來確定合適的晶格特性。

第三，拓撲最佳化工具不能用於建立受AM-增材製造約束所需的幾何特徵（例如出口孔）。

第四，目前普遍還沒有整合 CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、多尺度 TO-拓撲最佳化和 AM-增材製造的過程。現有的軟體工具大多隻關注流程的一個或兩個方面。

福特的專利嘗試解決與使用多種AM-增材製造技術製造的零部件的拓撲最佳化相關聯的這些問題。

福特的專利將為增材製造工藝設計的零部件，分為三個區域組成：沒有材料的空隙區域；固體材料區域；和非均勻格子區域。

這些區域作為負載條件的函式在空間上分佈在整個零件中，使得固體材料分佈在第一負載路徑的區域中，而點陣晶格分佈在第二負載路徑的區域中。

點陣晶格單元包括6杆四面體晶格單元、16杆六面體單元和24杆六面體單元等。點陣晶格單元的型別和尺寸是增材製造工藝的函式，點陣晶格單元的每個條的直徑不相等。

© Conflux輕量化的實現方式

福特的專利提供了用於成功實現AM-增材製造過程設計的整合數字執行緒，透過數字執行緒是連線資料流和整個產品設計週期的資料整合檢視的通訊框架，包括計算機輔助設計 （CAD）、計算機輔助工程 （CAE）、拓撲最佳化 （TO） ，考慮到特定增材製造工藝的製造限制。

數字執行緒透過避免產品價值鏈上的工程規範手動翻譯錯誤來提高產品質量，從而提高新產品引入的速度和產品價值鏈上工程變更的溝通，透過提高數字化捕獲和分析，提高與產品相關的製造效率。

福特的專利還透過分析點陣晶格尺寸並將固體材料和晶格單元分佈到受應力/應變的位置來改進拓撲最佳化技術和晶格結構設計方法。因此，可以智慧地重新分配結構的材料，從而減少材料消耗並減輕零件重量。

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當零件是汽車零件時，這樣的最佳化設計方法將有助於提高輕量化水平。該方法還加快了為 AM-增材製造設計輕質結構的過程，併產生具有輕質和高效能的創新複雜結構設計。可以幫助消除模具成本，為小批次元件設計提供經濟的解決方案，從而實現更精簡、更環保的製造。