光刻机是科技半导体行业的皇冠，是芯片制造的重要设备，其内部结构精密复杂，决定了芯片的制造工艺。

晶圆台是光刻机关键部件之一。晶圆台的作用是生产过程中用于支承和固定晶圆片。热变化会引起材料膨胀的微小变化。随着时间的推移，这些热梯度和波动会产生这样一种情况：由于晶圆表面的不断加工，其结构位置会发生改变（通常称为边缘放置误差，或EPE）。为了解决这个问题，工程师们正转向面向增材制造的设计以及增材制造-3D打印，改进晶圆台的热管理性能，重新定义下一代晶圆工作台的架构。

值得关注的是，在下一代增材制造晶圆工作台部件的设计开发中，正在从人工设计向计算机生成（即创成式设计）和人工辅助设计（相对于计算机辅助设计）过渡。

当前，创成式设计和结构拓扑优化作为一种设计方法很容易理解，但是这种优化方法仍有许多独特的部分。独特的是拓扑优化作为大规模并行迭代循环的产品，其迭代过程包含了计算流体动力学模拟和面向增材制造的设计（DfAM）。

安世亚太近日通过案例，详细介绍了晶圆冷却台从概念设计到增材制造的实现过程。该案例将传统的冷却设计和创成式冷却设计进行了比较，并分析了如何影响晶圆台的冷却性能和设计工作。本期谷.专栏将分享这一设计案例。

图1 金属增材制造-3D打印使生产具有复杂集成冷却结构的晶圆台成为可能，大大提高了半导体的制造效率（来源：3D Systems）。

 传统设计工作流程

与许多工程学科一样，传统冷却流道的设计流程以试错为主。设计师绘制一个冷却设计，通过CFD模拟或原型测试对设计进行评估。测试可以是简单易行的，这取决于不同的应用场景。由于进度和成本的影响，完整的系统集成测试很难实现。

在设计冷却模式时，初始设计通常是基于经验规则，直接重复使用或重新缩放早期的设计，有了足够的经验，可以应用启发式设计规则来获得一个好的起点。很少有第一次就成功的情况，在失败之后，设计师必须继续进行迭代，这种设计方法只稍好于盲目设计。

传统的参数化CAD拥有许多设计选则框架，可以部分地实现自动化。一个中等经验的设计师需要调用一个设计表格，定义一组参数，如通道宽度、圈数等，这种方法允许通过参数变化对复杂的设计进行快速迭代。然而，采用这种设计方法，最终设计的性能与初始设计的好坏直接相关。由于不能保证这个初始设计足够接近期望的结果，所以即使采用了大量的参数优化，也不能保证能达到期望的结果。

例如，如果设计者从一个以平行冷却翅片为特征的设计开始，他们将永远无法在一些小的变化中产生除了该设计策略的派生之外的任何东西（图2）。这种方法通常会导致多个冗长且昂贵的迭代，并对设计时间引入显著的不确定性。

图2 Voronoi结构参数化模型及其在参数化变化中的限制 （来源：3D Systems）

如果设计时间很长，也可能对制造和生产产生重大影响；在迭代、知识和经验之间可能会有数周或数月的时间，从而不断消磨设计动力。此外，如果设计师没有考虑到制造方面的限制且分析是通过模拟完成的，那么就会有很大的风险（尽管做出了种种努力，但设计将无法制造）。然而，这些问题可以通过创成式设计和增材制造来解决。

 创成式设计-面向增材制造的优化

美国心理学会和美国国立卫生研究院指出，人类只能同时考虑大约三到四个概念。自从有了零件，这种人类的自然局限性就一直是机械设计的动力。当设计功能至关重要的高科技零件时，对物理和功能限制以及可制造参数的考虑对人来说已经太多，整个团队的人员和专家必须参与其中，从而增加了设计成本和交货时间。

创成式设计是一个自动化的设计过程，需要最少的人工参与，以获得具有理想性能的高度优化的设计方案。通过利用物理模型、大量计算资源和最先进的优化技术。在人工智能技术的帮助下，创成式设计可以克服传统CAD设计方法的局限性，只需要在软件程序中设置约束条件等几个简单步骤，剩下的由创成式设计引擎完成。

创成式设计的出发点不是一个最佳的起始方案，而是对设计目标的描述，对可用设计空间的说明以及一系列的设计限制（如制造限制）。当使用创成式设计软件时，工程师不再是一个委员会中的设计师，而是虚拟设计团队的管理者。图3和图4显示了传统设计和创成式设计周期的比较以及人类参与的程度。

图3 上图：传统设计周期，从设计挑战到解决方案；下图：创成式设计周期，从设计挑战到最佳解决方案（来源：Diabatix）

图4 人类工程师和虚拟工程师在传统设计和创成式设计中的参与度比较（来源：Diabatix）

l 设置约束

开始创建设计时，需收集创建设计所需的所有信息。出发点是一组CAD模型，包括主要部件的几何形状，冷却剂可以流动的区域，以及可设计区域（图5）。一旦有了几何信息，就可以加载边界条件。类似于传统的CFD模拟，需要诸如材料特性、冷却剂特性和通过/失效的热图偏差等信息。

最后，需要设定目标和约束。这包括设计目标、系统约束和制造限制等信息。只要能够采用数学等效的目标和约束都可以被定义。例如，成本或制造时间的减少可以与温度、重量和压力等要求一起实现。图片

图5 上图：实体部分；中图：流体区域；下图：设计区域 （来源：Diabatix）

设计是一个迭代过程，不需要人的参与。该过程从成千上万的顺序执行的CFD模拟中收集数据，在每一步迭代过程中测量设计变更。除了CFD模拟的物理输入，这个过程中的每一步都会收集可制造性信息。由于计算量大，该过程是通过商业云服务执行的，使用几百个CPU并行。在这个过程中，冷却结构在指定的设计空间内逐步建立起来，该结构考虑了材料和冷却剂的物理特性。

在设计完成后，生成的设计被转换为通用CAD文件格式。因为模拟是创成式设计过程的一个组成部分，所以可以进行性能分析，这允许评估设计质量和揭示新的设计方向，如减少组件的包络。

本案例研究的主要目标是最大限度地提高晶圆台的热均匀性，同时不引起系统中的流体压力下降。先进冷却策略的一个额外好处是缩短热稳定时间，提高生产效率。

l 物理限制

几何学：

盘状热负荷，内径60毫米，外径300 毫米，厚度28毫米。

材料选择：

• 铝（AL6061-RAM2），由于其良好的导热性和适度的强度，适合这种应用。

• 通常情况下，晶圆台的物理负荷有限，它不需要非常高强度的材料。

• 像铜这样的延展性材料是不合适的。尽管铜合金具有很高的导热系数，但它们对于物理负载和高加速度来说太软了。

• 成本低、产能高、易于补充制造。从这个角度来说，含硅的铝合金适合此类应用，但从应用的角度来看，含硅对许多应用来说是不可接受的，这是因为会存在危险的流体反应或对硅污染晶圆产品的担忧。

l  操作限制

• 采用蒸馏水作为冷却剂，避免碱性腐蚀。
• 热源以大约10瓦的功率均匀地施加在整个表面上。
• 在入口处，温度为21℃时，体积流量固定为每分钟7.5升。

目标约束：

• 目标是最大限度地提高表面的温度均匀性，温度偏差需要低于0.1℃；
• 入口和出口之间的压力损失被设定为不超过70千帕；
• 为了确保设计能够被制造出来，设计师选择了在3D打印设备上进行PBF-LB增材制造的制造准则：即最大悬垂角为45°，最小壁厚为150µm。将平坦的大平面作为底部来进行打印（这在大型圆盘结构的AM中通常是首选）。这种打印方式会带来额外的好处，那就是在电火花线切割基板过程中会在底部形成一个平坦的控制面。

通过利用设计中的周期性，设计师将圆盘按45°进行切分，每个部分有不同的冷却通道，以方便比较性能（图6）。假设每个部分有一个入口和出口。在本案例中，分析仅限于两种传统设计和一种创成式设计。本案例研究采用了先进的Diabatix Cold-Stream®平台。这个平台是第一个提供流动和热部件创成式设计的平台。所有的设计和分析都由Diabatix®完成。

图6 三种不同的冷却策略 （3D Systems提供）

l  常规设计1

冷却翅片阵列

一种常见的冷却设计策略是“针状鳍片”，如图7所示。针状鳍片很容易设计，并拥有较大的热交换面积。然而，从增材制造的角度来看，这种设计有两个缺点。

首先，在金属增材制造中，鳍片之间的间隙不能超过4-5毫米，因为它们需要为冷却通道上方的封闭面提供足够的支撑。第二，由于没有利用第三个维度，设计还有改进空间。

在分析鳍片阵列的性能时，设计师注意到22千帕的压降低于设计目标。温度峰值为21.24℃，温度偏差不在0.1℃的约束范围内。冷却剂主要沿着最低的阻力方向（即入口和出口之间的直接连接）流动。因此，局部热点是难以避免的。可以想象这种设计的变种，它试图迫使流体在入口处发散，在出口处收敛。改变针状鳍片的密度可以帮助减少热点的发生，但也会增加压降。结果总结。

• 最高温度：（21.4℃）
• 温度偏差：（0.12℃） 不满足要求
• 压降：（22千帕） 满足要求
• 达到稳定温度的时间：（410秒）

图7 左图；针状鳍片设计示意图，右图；针状鳍片策略热图 （来源：Diabatix）

l  常规设计2

线性蛇形通道。经常采用的另一种更常见的设计策略是蛇形通道，如图8所示。在增材制造-3D打印元件中使用这种类型的通道，对通道的宽度有一个约束（与之前的针状鳍片设计一样，有最大桥接距离的限制）。因此需要一个相当长的通道来提供足够的表面覆盖。此外，经验表明，尖锐的往返式内部通道会使得在应用中保持理想的压力带来挑战。更具挑战性的是这种策略的粉末清除问题。

传统通道设计的仿真结果表明：最高温度只有21.18℃，并且0.09℃的温度偏差满足了设计目标，但是，正如预期的那样，压降为420千帕，远远超出了可接受的范围，这是长通道的一个直接后果。

采用更复杂的衍生策略可以帮助减少压降并保持高温扩散。其中一个方案是采用多个平行的蛇形通道，它们的每个通道的长度较短，而累积的通道面积与单通道相当，甚至更长。这有可能是好的设计，但需要更长的初始设计时间，并可能需要对进口分流和出口汇流策略进行长时间的迭代。结果总结如下：

• 温度偏差：（0.09℃） 满足要求
• 压降：（420 kPa） 不满足要求
• 达到稳定温度的时间：（409秒）

图8 左图；蛇形结构设计 右图；蛇形结构策略的热图（来源：Diabatix）

l 创成式设计

如前所述，创成式设计（图9）能够以最少的输入约束条件实现高度优化的几何结构，为具体问题创造了优化的、独特的解决方案。如果有足够的创成式设计经验，在解决参数足够多的具体问题时，设计师有可能开发出一种启发算法来解决结构设计问题。但是，在具有流体流动和精度限制的热管理案例中，正在产生一系列新的极其复杂的解决方案，这些解决方案几乎不可能采用人为创建的设计策略（同时保持计算机生成的解决方案所提供的重要技术优点）。

通过积极利用第三维度，一个复杂的网络流道将水流引向感兴趣的区域，同时这些结构是可以自支撑的，并遵守所要求的最小和最大的特征尺寸。这些形状远远超出了人类的工程能力，在这个实际的例子中， 我们将探索这种新方法的效率和细节。

Diabatix ColdStream结果的性能完全落在可接受的公差范围内，无论是压降还是温度均匀性。峰值温度为21.18℃，与翅片阵列相比，提高了25%，是三种设计中最低的。另外，温度偏差为0.1℃。与蛇形通道非常相似，但该设计的压降为40千帕，是蛇形通道压降的1/10。这种性能是通过交替使用具有高传热和高压降的较小通道，以及具有较低传热和低压降的较大通道实现的。

通过使用Diabatix ColdStream平台，设计过程准备和结果分析只需要几个小时的人工时间。作为回报，所产生的设计很容易超过传统设计。此外，可制造性也可以得到保证。

这样做的缺点是这个过程在计算上是很昂贵的。在写这篇文章的时候，即使在使用数百个CPU并行计算的情况下，这个问题也需要几个星期才能完全计算出来。然而，它不需要任何人工干预，也不需要事后的额外设计迭代。

这使得它成为缩短设计周期的一个非常有效的方法。与设计过程一样，制造过程也是在没有任何人员在场的情况下运行的，设计和制造可以通宵、周末和节假日期间运行。结果总结：

• 最高温度：21.18℃
• 温度偏差：（0.1℃） 满足要求
• 压降：（40千帕） 满足要求
• 达到稳定温度的时间：（381秒）

图9 上图：创成式设计；中图：创成式设计特写；下图：创成式设计策略的热图 （来源：Diabatix）

 比较总结

以上案例中，共研究了三种冷却策略：针状鳍片阵列、蛇形通道和Diabatix创成式设计。创成式设计方法得到了最优化的三维解决方案，它满足了整体温度均匀性约束、压降约束和金属增材制造约束。创成式设计组件的一个意想不到的好处是组件达到稳定温度所需的时间减少了29秒（图10）。这7%等待时间的减少可以直接转化为生产效率的提高，从而每天生产更多的晶圆产品。

图10 上图：压降性能比较；下图：温度性能比较（来源：Diabatix）

 金属增材制造工作流程

在设计阶段之后的一个典型的增材制造工作流程中，设计师开始进入到构建文件生成阶段。使用 3D Systems公司的3DXpert®综合增材制造软件（图11），进行了以下步骤。

1. 用于制造的三维模型的定位和定向；
2. 重新调整3D模型，以考虑到制造过程中发生的收缩；
3. 在需要的地方添加余量；
4. 添加支撑；
5. 增材工艺仿真；
6. 切片和路径规划；
7. 输出制备文件包。

图11 3DXpert中的冷却策略示例（来源：3D Systems）

无论采用哪种增材制造软件，工作流程一般是相同的。然而，在具体实施过程中有一些独特的方面，需要进行一些说明。

在3DXpert中，切片和路径规划是根据选定的技术配置文件自动进行的。 对于标准用户，软件为每种材料提供了少量的默认配置文件，采用这些默认配置文件能够保证所打印的零件拥有较好的机械性能。同时，专家用户也可以选择调整和创建他们自己的技术档案，从而实现更高层次的优化，但这也会增加打印失败的风险。

在用户定义的打印区域中也可以进行灵活的定义。这些区域可以围绕关键特征（全三维）进行定义，并可以分配不同的打印配置文件。新颖的打印配置策略允许用户将约束条件应用于零件上的各个特征，因此在不同项目的独特要求下，都能实现速度、质量和准确性的最佳组合。

此外，完整的打印仿真技术是相当精确的，而且越来越强大的计算仿真工具可以在无需打印零件的情况下模拟打印结果。这大大增加了首次打印成功的可能性，减少了打印报废成本。通过利用3DXpert的集成增材制造技术，可以大幅减少试错成本和时间，快速成功制备出零件。

图12 通过金属增材制造制备的冷却策略示例（来源：3D Systems）

 后期处理

在金属增材制造中，激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺通常只是生产过程的开始，零件还要经过多个后处理步骤。经常看到的处理是：

• 热处理，去除残余的热应力和/或优化材料的微观结构，以满足相关的应用。
• 去基板，线切割，用于精确切割；带锯，用于粗糙切割。
• 去除支承和喷丸处理，通常是一个手工过程，当前也逐渐有了自动化的流程。
• 表面处理，对这些高要求的零件通常采用化学抛光和机械磨光处理。
• 机械加工，通常采用高精度的数控加工设备，设计过程中适当的DfAM考量可以减少机加工成本。
• 清洗，洁净度要求高的零件可以进行清洗。

 总结

以上案例展示了冷却策略优化晶圆台的进展。新颖的创成式设计方法（使用Diabatix的 ColdStream平台）自动生成了最佳的自支撑冷却结构，降低了整体温差，将流体压力保持在系统要求的范围内，并使整个系统生产晶圆产品的周期缩短。

随着半导体设备制造商竞相满足对新设备的需求，通过相关软件工具实施功能优先的设计，出现了提高产品质量和性能以及优化供应链的新机会，这些优化的设计都可以通过金属增材制造和市场上的可用的材料来制备。完整解决方案供应商通过应用其丰富的实践经验，在这个行业的关键时期，可以显著减少试错成本，加快产品进入市场的时间。

谢琰军 工学博士 安世亚太仿真咨询专家

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但工业制鞋大批量制造、快速回转、快速实现利润是商业的基础逻辑。而更为舒适合脚的定制化鞋在制造上依托于手工转楦、手工划片、部分鞋底依托模具制造，这些制造技术问题致使定制鞋很难实现批量化。定制鞋主打高端人群消费，低产量高定价让大众消费人群很难企及。

3D打印技术的出现给定制鞋制造带来了更多的可能性。安世亚太增材制造团队在定制化制鞋领域对参数化设计和3D打印技术进行了探索，并开发了包含软件+仿真+硬件+商业模式的客制化制鞋整体解决方案。这一方案旨在融合3D打印个性化的技术优点，将目标瞄准到个性化批量制造的维度上。

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根据安世亚太，每一个数据转化过程都以分钟计时，帮助鞋企、定制品牌实现批量化的定制。在数据转化的过程中加入了仿真的技术，使鞋底的设计起到减震、分散足压、更加符合人体工学的要求，塑造定制鞋中的高科技鞋款。

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• 数据自动生成，用软件代替人工，生成时间更短、数据更精准。
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不同晶格的定制鞋鞋底设计

打印好的鞋底弹性模量测试

三种款型的3D打印鞋底的定制皮鞋

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以增材制造技术为核心的数字化制造技术使生产成本不再和批量挂钩，低成本的个性化制造已经成为可能。以人工智能为核心的数字化设计技术，使得定制鞋的制造不再依赖昂贵低效的手工作坊式的模式，所有与个体数据相关的设计建模问题都可以交给计算机自动完成。

制造和设计技术的突破将使得定制鞋的过程从手工时代进入自动化时代。依托数字化技术的高效和低成本，定制鞋将有望成为满足大众需求的产品。

宋尚霞
安世亚太DfAM赋能业务部消费品BD总监，17年快消行业市场工作经验，跨界到增材行业。从快消和增材两个维度思考增材在消费品领域解决方案的开发，负责的项目包含：基于DfAM的客制化制鞋解决方案、鞋模增材设计解决方案、PET瓶增材设计解决方案。

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软件企业 nTopology 与3D打印企业Stratasys 合作开发了一个用于FDM™ 3D打印技术的夹具生成器。这一设计工具简化了用于三坐标测量的夹具设计，质量（QA）工程师和技术人员只需点击几下，就可生成并打印自定义夹具。

FDM ™夹具生成器三坐标检测（CMM）夹具模块来源：安世亚太

 自动生成三坐标检测夹具模块

自动化可重复使用的设计流程是nTopology的核心优势之一。nTopology和 Stratasys之间的持续协作正在为定制夹具和固定操作提供自动化工作流程。

在试用nTopology之前，生成随形装配，焊接或者三坐标测量的夹具，从未有现在这样的精简和自动化。FDM™夹具生成器的三个模块使基于材料熔融挤出的3D打印技术更容易在车间使用。它们大大减少了执行非增值任务所需的时间。

自动生成3D打印夹具，用于航空航天组件的三坐标检测
来源：安世亚太

在最新的FDM ™夹具生成模块中，nTopology 团队应用了该软件的创成式设计和自动化功能，为三坐标检测（CMM ）应用程序自动设计夹具。

通过几次点击，用户就可以导入零件和三坐标检测（CMM）的检测平台并定义装夹位置。在几秒钟内，nTopology生成随形夹具，将零件牢固地固定到三坐标检测平台上。夹具设计可进行3D打印，无需打印支撑结构。

 无CAD经验的用户也可以使用

使用nTopology 的可重复使用工作流功能设计夹具，不同于传统 CAD 工具设计夹具。nTopology 会自动生成夹具，以更快速、最少的用户操作来适配新零件的几何形状。

简单来说，nTopology 简化了夹具生成，即使没有 CAD 经验的用户也能够使用它。当设计发生变化或检测新的零件时，亦无需从头开始。

该软件的计算设计后端可以实现：任何部分任何形状，任意方向任意数量接触点的夹具自动设计。而且支持零件CAD文件和网格文件的导入。

此外，用户也可以调整其他重要参数，并且不会大幅的增加重建流程的时间。早期的测试版用户也在探索这项技术，以便大规模定制夹具，无论模型数量或模型复杂性如何。

3D打印夹具适配被检测零件的几何形状，通过几次点击即可生成
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许多行业领先的制造公司已经采用了 FDM ™夹具生成器的前几个模块。例如，遮蔽模块被用于世界各地的车间，生成用于精加工和后处理的保护性夹具。

FDM 夹具生成器遮蔽模块

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软件授权解决方案，如 FDM 夹具生成器，为先进制造技术（如 FDM 3D 打印）的用户解锁更多价值。它们还加快了三坐标检测（CMM）等应用的设计时间，并最终减少了制造领域的瓶颈。

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本期的大型轻量化机械臂3D打印砂模铸造案例，为铸造企业利用最佳设计准则，开展大型铸件的3D打印砂模设计提供了一定启示。

3D打印砂模铸造的大型机械臂
来源：安世亚太

 案例背景

案例中是一个通过3D打印砂模铸造的近一米长的机械臂。开发团队由nTopology、宾夕法尼亚州立大学、Flow 3D 和 Humtown 的工程师组成。他们创建了一个端到端的数字化铸造工作流程–从零件优化到可制造性设计，最后是制造。

3D打印砂模铸造技术带来的优势：

• 3D 打印的砂模和型芯有助于创建合理的浇冒口系统，从而可以制备具有更少内部缺陷的高性能的金属零件，零件的材料强度最高可提高15%。
• 增材制造消除了对工艺装备和铸造模具的需求以及相关的几何限制。这有利于生产具有复杂几何形状的高性能的优化零件。
• 3D 打印和其他数字制造技术有助于铸造企业的数字化转型，减少对人工的依赖。

3D 打印砂模和型芯进行砂型铸造的局限性：

• 零件设计仍需遵循铸造工艺和 3D砂型打印系统的限制。这些设计考虑包括壁厚、件截面的变化和壁与壁之间的间隔。
• 目前可用的工业砂型3D打印机是有限的，而且3D打印模具的制造成本也相对较高。作为参考，砂型3D打印的成本约为每立方英寸（0.0000164立方米）0.1美元，而传统的铸造厂对一个模具的收费通常在 1-2万美元之间。
• 与每一项新技术一样，获得砂型3D打印知识和设计技能的途径仍然有限。难以找到最佳设计案例和设计准则，这阻止了工程师和制造商最大限度的利用这项新技术。

《3D打印在铸造领域的价值与应用趋势》白皮书©3D科学谷

本案例研究旨在解决最后一点。通过将每个决策中的设计方法和实际考虑因素文件化， 让铸造企业、设计师和工程师更容易的使用这项技术。

 拓扑优化的机械臂

金属铸造模具组件的分解试视图

开发团队将拓扑优化等先进的设计技术与只能通过增材方式制造的先进铸造特征（包括浇口、浇道和冒口）相结合。使用这种方法，该团队设法达到以下几个目标：

• 将零件的重量减少40%；
• 避免常见的铸造缺陷；
• 直接 3D打印整个砂模；
• 在一个星期内制造出该零件。

该项目的第一步是优化机械臂的几何形状。利用拓扑优化软件，该团队将零件的重量减少了40%，从 240 磅（约109千克）减少到 165 磅（约75千克）。同时仍然满足规定负载条件的功能要求。

拓扑优化是一种仿真驱动的设计技术，通常用于航空航天和汽车工程领域，优化目标通常是刚度最大化和重量最小化。nTopology软件中的的自动光顺处理和模型重建功能使该团队能够快速、轻松地进行设计修改。

nTopology 拓扑优化过程概述—从原始设计到最终导出CAD主体。

当然，工程团队在设计阶段就考虑了该零件的可制造性。最终的金属零件用铝铸造时重 165 磅（或约 75 千克），其边界尺寸为 39″ × 16″ ×16″（或 1.0 m × 0.4 m × 0.4 m）。机械臂的尺寸限制了团队生产这个巨大零件的选择。

按照传统的制模方法（使用木模）会带来一些复杂性问题。由于几何形状的复杂性，设计团队将不得不做出许多妥协，从而降低了零件的性能。

 优化铸件的设计

为了展示该技术的能力，开发团队决定直接3D打印整套模具。通常情况下常见的生产方式是只3D打印模具的一部分，如模具的型芯或其他关键的部位。

这一决定使得他们能够优化模具的其他关键特征，如浇口、浇道和冒口的几何形状和位置。这些优化将使金属铸件具有最小的内部孔隙和较高的材料性能。

该模具是宾夕法尼亚州立大学和Flow3D 公司合作设计的。该团队在设计过程中考虑到了两个主要的设计要求：

• 熔融金属必须尽可能顺利地填充型腔。研究表明，低于0.5米/秒的流速是必要的， 以尽量减少湍流，并减少由于氧化层脱落和孔隙造成材料缺陷的可能性。
• 冒口必须在零件之后凝固。不均匀凝固是造成内部缺陷、收缩、开裂和零件变形 的另一个常见原因。出于这个原因，铸造后将被加工掉的部分必须最后凝固。

3D打印模具是分体制造的，然后在浇注熔融金属之前进行组装。这种螺旋状的浇口设计无法用传统模式制造。

为了确保在填充模具时不引入湍流，开发团队重新设计了浇注系统和冒口。他们使用了一个螺旋形的浇口，而不是一个向下的浇口，选择了具有球形或半球形的冒口，而不是圆柱形的冒口。

这种优化的浇口和冒口的几何形状确保了熔融金属的流动速度低于所需的阈值，并且熔融金属会均匀地凝固。此外，这些特征只能使用增材制造技术来制造， 因为使用传统的制备工艺不可能制备出这样复杂的浇冒口系统。

铸造过程模拟帮助团队确保速度流量保持在0.5毫米/秒的临界值以下

为了确定最佳零件浇铸方向和流道、浇口和冒口的最佳位置，开发团队使用铸造模拟软件进行了多次设计迭代。仿真的目的是优化冒口性能，最大限度地减少孔隙率，并验证浇口流速。仿真阶段确保了该部件一次成功制备，并将开发时间从几个月减少到几周。

3D打印工艺独特的直接生产能力使这些先进的模具设计方法得以应用。而且能够产生显著的性能改进。研究表明，与传统方法相比，使用这种模式生产的铸件具有：

• 内部非金属夹杂物总含量为0.02%，缺陷减少99%。
• 使用相同材料铸造时，强度可提高 8%-15%。

铸造件性能的提高使这一工艺对于制造高性能或定制部件的铸造厂来说最为适用。

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知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关3D打印在铸造领域的应用，请关注《3D打印在铸造领域的价值与应用趋势》白皮书。

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谷专栏是3D科学谷内容板块：谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景：贡献于制造业附加值创造，贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

3D科学谷在《案例洞悉粘结剂喷射金属3D打印应用于随形冷却注塑模具的技术逻辑》一文中谈到，3D打印制造使得注塑模具的设计与制造摆脱了交叉钻孔的限制，可以实现内部通道更靠近模具冷却表面的随形冷却流道设计，流道具有平滑的角落，更快的流量，增加热量转移到冷却液的效率。设计师还可以根据冷却要求设计不同的冷却回路，旨在以一致的速度进行散热，以促进散热的均匀性。

模具设计师在进行随形冷却流道设计时需要综合考虑冷热源位置、冷却效果、流阻等因素，有经验的模具设计师也要花费较长的时间进行设计、建模及绘图，再通过模流分析软件来验证效果。

那么，有没有一种设计方法，可以将这些规则定义好，流道就能自动随形生成呢？创成式随形冷却流道设计方法，可以把专业的、繁琐的设计及建模过程大大简化，将需要几天、几个小时完成的工作变成几分钟。

本期的谷.专栏文章，就来谈一谈模具随形冷却流道的创成式设计应用。

 创成式设计中的随形冷却流道描述

模具设有流道入口、流道出口、进流道、出流道和冷却流道，冷却流道自与进流道的连接处开始，依据各个约束尺寸范围，依次向模具冷却表面内侧的各边缘部位延伸，避让顶针孔、镶件孔等特征后与出流道连接，组成连通的流道。

在冷却面外表面及内表面生成的流道效果演示

 随形冷却流道创成式设计方法与思路

1. 距离分析及优化。依据专业知识及《增材制造流道设计标准规范》，确定冷却流道直径范围（b），流道之间的距离（a），分析流道与冷却面之间的距离（c），获得a、b、c的尺寸约束范围。

2. 获取随形冷却流道设计的模型，并提取模具冷却面。见下图（1）,需避让的顶针孔、镶件孔位置区域，见下图（2），流道出入口中心点见下图（3）（4）。

3.运用创成式设计方法，使点在流道入口中心与流道出口中心点之间生成曲线，曲线依据设定的合理路径规则及尺寸约束范围，逐渐延长生长。

4.依据曲线路径及冷却流道直径范围（b），流道之间的距离（a），流道与冷却面之间的距离（c）的数据约束，生成随形冷却流道。

4.1冷却流道直径(b), 流道之间的距离（a），流道与冷却面之间的距离（c）的数据的变化，生成的流道长度会有不同，a、b数值越小，流道长度越长，a、b数值越大时，流道长度越短。

4.2在流道进出口直径不变的条件下，进、出流道与冷却流道之间的锚点可以自由设定，即约束冷却流道的起始点可以根据需要自由设定。通过锚点位置的调整，可以生成结构尺寸不同的流道。

5.自动生成流道程序输入的数据均是在一定数值范围内，例如b，假设数据范围为2mm-8mm之间，a，数据范围在3mm-5mm之间，c，数据范围在2mm-5mm之间，想要得到理想的冷却流道，可以按照理想数据要求进行自由搭配设定，也可以通过仿真验证，选取冷却效率最高，流阻最小的方案。

6.最后生成的冷却流道与模具外壳模型合并，生成可供增材制造的模型文件。

 自动生成方法使用的意义

随形冷却流道自动生成方法，将专业随形冷却流道设计的技术标准，转换成一套设计逻辑，这套设计逻辑，具有共性属性，而非个性属性，它可以应用于其他模具的随形冷却流道设计中，降低了工程师的技术门槛，提高了设计速度，降低了研发成本，加速随形冷却模具产业实现从1到n的广泛产业化进程。

创成式数字化随形冷却流道设计方法，配合增材制造为主的数字化制造工艺，在模具的数字化解决方案中形成闭环。

钟红爽
创成式设计工程师，多年工业设计、家具设计、商业空间展示设计经验。
擅长领域：产品外观ID设计、CMF结构设计、创成式设计。

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谷专栏是3D科学谷内容板块：谷前沿、谷透视、谷研究、谷专栏这四大板块之一。谷专栏基于3D科学谷愿景：贡献于制造业附加值创造，贡献于人类可持续发展。其目的是通过携手科研机构、科学家、企业研发与应用团队，与业界分享对推动增材制造发展起关键作用的共性基础科研与应用成果。

目前常用车型的轮毂多为铝合金材质，铝合金轮毂从生产工艺上大致可分为铸造和锻造两种。铸造工艺技术相对简单，成本比较低廉，造型相对常规，是量产轮毂的首选生产工艺。而锻造轮毂，耐疲劳性、拉伸强度、重量等性能指标好于铸造轮毂，其制造工艺是通过锻造完成基础胚体生产再进行机加工、切削等后续处理完成成品。

除了常规轮毂产品之外，国内一些大型轮毂生产企业也接受锻造轮毂的个性化定制服务。同时，3D打印个性化汽车轮毂也是目前汽车领域中一项颇为引人注目的应用。

本期的谷.专栏文章，将通过安世亚太的汽车轮毂创成式设计案例，来解析创成式设计怎样实现个性化轮毂的设计，以及创成式设计怎样与锻造、铸造、增材制造-3D打印技术相结合，完成个性化轮毂的落地生产。

 常规轮毂的设计

首先，从常规轿车铝合金轮毂入手。常规轮毂一般分为轮辋、轮辐和与车轴链接安装盘三个主要部分。

轮毂各部分构成

轮毂的主要参数

其中轮辋部分主要与轮胎固定，规格参数与轮胎紧密对应。在该案例中，设计师将轮胎尺寸，轮缘宽度代号等基本信息作为参数输入，构建参数化轮辋模型即可得到相应轮辋选型数据模型随时调用。

后续将轮毂安装的偏距ET值作为参数输入建立轮辐面。用户可以根据自身车型实际偏距选择适合轮毂胚体。

基础轮辐面构建

此步骤创成式设计轮辋+轮幅面轮毂胚体模型，就可以作为锻造生产轮毂胚体数据，用户输入相应规格，生成厂家锻造生产所需胚体模型，简化锻造定制设计难度和用户定制技术门槛。

锻造轮毂胚体

胚体锻造过程

下一步就可以在安装面增加螺栓孔节圆直径PCD、安装盘直径，中心孔直径、螺栓规格等选项完善安装盘选型部分创成式程序设计。

安装规格信息输入

接下来就是轮辐部分设计，围绕轮辐辐条大小、形状、个数加入控制元素可以更改基本辐条造型，添加单支辐条不同特征就能得到一些相对常规轮辐样式。

轮辐辐条的变化

轮辐添加变化元素衍生出的可加工样式

通过创成式设计生成的常规辐条样式轮毂模型，可以运用铸造、锻造的形式完成定制轮毂的落地生产。通过创成式设计方法归纳轮毂基本特征数据，生成形态样式数字模型可以涵盖常见规格，能够简化量产轮毂设计过程，为后续生产提供便利。

 个性化轮毂创成式设计及落地生产方式

在实际产品化的常规轮毂设计中是有固定数据包约束，包含工艺要求，倒角、间隙、厚度、强度、法规等诸多限制条件来保证轮毂产品安全可靠性能，加上常规生产工艺限制。其实普通定制轮毂能够落地的样式并不多。

通过创成式设计更改参数得到的轮辐造型相对千变万化，想要完成一款独一无二定制轮毂产品落地，就需要进行更多的尝试。

创成式设计产生不同轮辐样式的整体轮毂造型

在创成式设计产生的万千变化中，可以挑选适合造型完善模型。用仿真验证，模拟实际使用中不同工况进行仿真验证。

部分工况条件设置

部分仿真验证结果展示

通过不同工况下仿真验证的结果，对创成式设计产出的不同造型方案进行筛选。

在保证不同工况条件下，强度满足要求的前提下，进一步对创成式生成轮毂造型进行拓扑优化，进行零件减重，减少用料，降低生产成本，提高轮毂相关性能，得到完整轮毂设计方案。

拓扑优化后定制轮毂方案

通过创成式设计、仿真验证筛选、拓扑优化的定制化轮毂方案保证了外观的多样新颖，满足不同工况下性能要求，还具备比常规方案更为轻量化优点。

但是这类设计无论通过铸造亦或是锻造工艺就很难实现生产了。如果希望充分利用以上先进设方式在产品设计优化上的潜能，将设计结果落地成为实际产品，从而满足最终用户更为丰富的定制化需求，那么可以考虑借助增材制造技术，完成定制化轮毂的生产步骤。

通过3d金属打印完成定制定制轮毂实物
实用新型专利号：ZL202920214026.4

定制轮毂平台服务流程与制作环节图片

如果设计方案具备铸造量产的潜力，则可以通过选定参数生成数据模型，完成量产轮毂设计方案快速3D打印铸造模具生产试模工作，缩短产品设计开发周期。

锻造定制轮毂用户可以借助这套规则选定型号生成锻造胚体，添加辐条样式，快速完成个人定制方案，简化定制流程。与此同时还能有效降低用户与定制服务企业过程中沟通门槛，提高效率，减少定制服务企业所需人力。

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增材制造-3D打印是基于三维模型数据的材料（分层）堆积成型的数字制造技术，相比传统的减材制造和等材制造，增材制造技术在很大程度上实现了自由制造，必将引领制造业发展出全新的基于增材制造工艺的设计（DfAM）理念，为工业品提供颠覆性的设计改进空间，带来了巨大的价值。

本期谷.专栏文章，将以安世亚太在“上汽大众3D打印创新论坛暨拓扑优化设计大PK”比赛中获得一等奖的作品为例，为谷友们介绍DfAM的操作流程，以及DfAM带来的价值。

减轻结构重量、提高承载能力

l 比赛主题

安世亚太在“上汽大众3D打印创新论坛暨拓扑优化设计大PK”比赛中的主题为：某重载铰链支架结构优化设计。

初始条件选取某重载铰链初始结构如图1所示。

1）前端1个横向通孔通过直径3mm的销子承受载荷，其位置和直径不可变动；
2）后端通过4个M6螺栓进行固定，螺栓过孔位置和直径不可变动，螺栓过孔数量可保留1-4个；
3）螺栓安装端面所在平面的位置不可变动。

图1 原始结构

l 加载方案

图2 加载方案

采用万能试验机进行加载试验，铰链用4个螺栓固定在基板（灰色部分）上，前端夹具施加竖直方向载荷，加载速度5mm/min，加载直到结构破坏为止，记录结构破坏时试验机读数。

l 材料及工艺特性

3D打印材料为光敏树脂，设计结构将采用SLA设备进行打印，材料及工艺特性如表1所示。

l 比赛要求

1）结构重量不超过原始结构重量；
2）结构在安装和测试过程中不与试验夹具干涉；
3）尽可能提高结构的强度。

设计结构只允许在图中蓝色矩形区域和夹具接触，其余区域不允许接触，如图3所示。

图3 设计结构与夹具接触区域

在进行结构拓扑优化之前，需要对拓扑空间进行确定，先定义设计空间，从而避开不可设计区域，并且适当的扩大设计区域，这样做的意义在于可以使拓扑工具得到充分的发挥空间，但是我们要考虑到计算资源以及时间问题，进行衡量取舍得到最有效的拓扑空间，图4透明位置的模型是初始拓扑空间。

图4 拓扑优化的可设计空间

图4中螺栓连接工装位置在拓扑空间中做了通孔，这是因为要保证最后的拓朴结果不与螺栓连接的工装位置发生干涉。考虑到零件的接触空间，对固定基板也做了简化处理。

然后进行边界固定和载荷施加的设置，图5中第一个模型蓝色部位是边界固定的位置，第二个模型的红色位置是施加载荷的位置，在施加载荷的孔中只选择了下半面来施加沿X轴向下的力5000N。如果将孔中的上下表面全部施加载荷，就会和现实中的受力情况出现差异，从而影响拓扑优化结果的准确性。网格采用的是3mm四面体，拓扑优化的目标重量设定为30%。

图5 边界固定与载荷施加位置

图6中为拓扑优化结果，这种拓扑结果很显然并不是最终的结构形式，我们需要对拓扑优化结果进行重构，并再次仿真来进行调整改进。

图6 拓扑优化结果

对于拓扑优化的结果进行重构往往是一件非常困难且耗费时间的工作，在这一步时安世亚太直接采用了spaceclaim模型包裹光顺来进行重构。图7中为第一次重构的模型。

图7 方案一模型

对目前第一次重构后的模型进行仿真分析，所得到的总变形和等效应力如图8所示，最大变形点在加载区域，从整体来看零件的应力分布不太均匀，最大应力集中在螺栓连接处，部件中心处仍然存在大片应力较小的区域，说明还有许多减重空间。在应力云图中红色箭头指出的位置，可能会发生失稳，所以决定在这个部位增加结构的稳定性，让结构与工装用四个螺栓连接。

图8 方案一总变形与等效应力云图

进行第二次重构模型，再做进一步的仿真。第二次重构的模型如图9所示，可以看到对螺栓孔与载荷施加区域进行了更加细致的处理，同时也将零件进行了适当“瘦身”。

图9 方案二模型

方案二模型的变形云图和等效应力云图如图10所示，从云图来看变形较小但应力分布依然不均匀，尤其在右图等效应力云图中箭头指向的红圈位置，应力较小，还有一定的减重空间，对其进行局部优化后进行进一步的仿真来做验证。

图10 方案二变形和等效应力云图

在进行第三次重构后所得到的模型如图11所示，在这次的挖孔减重当中并不是只考虑了圆形孔，同时也考虑到了更适合增材制造的水滴形孔，但是在仿真中的圆形孔应力分布更合理，总变形更小。

图11 方案三模型

图12 方案三变形和等效应力云图

图12中为重构后方案三变形和等效应力云图，根据结果对比之前两版方案可以看出总变形更小，应力分布更合理，部件主承力区应力区间均在20Mpa-50Mpa间，其中应力集中处在螺栓孔根部出现，预判断裂位置为此位置。

考虑到真实实验工况为准静态加载而非静态加载，为了进一步精确的验证结构强度，安世亚太采用了基于LS-DYNA的准静态强度分析方法进行验证，分析结果如下图所示：

图13 仿真结果与实验对比

根据分析结果可以发现，应力集中位置是螺栓根部，与之前静力学仿真结果相吻合，但是静力学结果未能表现出来动态应力值，通过LS-DYNA进行准静态强度分析，可以预测螺栓根部首先出现应力峰值47Mpa，已经超过材料抗拉极限，明显此处发生破坏，结构失效，此时接触反力约为3013N。如下图红色曲线为物理实验测得反力曲线，峰值为3262.7N，断裂位置如图14与仿真分析结果完全一致。

图14.实际断裂位置

本案例详细呈现了如何在DfAM设计理念的指导下，将一个汽车支架类结构进行拓扑优化设计和基于仿真结果的模型重构，实现了减轻结构重量和提高承载能力的目标。该零件的最终重量为99g，比题目原始模型减重了33g，达到了较为合理的重量/承载能力平衡点。

马立敏
安世亚太增材设计首席专家，高级工程师，北京航空航天大学/中国商飞公司博士后。主要研究方向为增材制造创新设计与应用，设计的产品多次获得全国性学会及行业大奖，在增材制造创新设计与应用方面具有丰富的经验和独到的见解。

谢琰军
材料物理与化学专业，博士学位，多年材料及增材制造领域研发经验，参与并实施多项金属增材制造科研课题及相关技术开发工作；目前主要从事增材制造设备及工艺相关的仿真及咨询工作。

胡世鑫
工学硕士，安世亚太DfAM结构仿真工程师。擅长结构强度耐久和动态冲击领域，有丰富的仿真工程经验，目前从事增材产品的拓扑优化，结构仿真工作。

李瑞鹏
安世亚太增材结构设计工程师，燕京理工学院学士。主要负责根据有限元分析结果对传统机械零件进行增材设计优化以及轻量化设计，增材制造设计方面具备丰富经验。

Additive Manufacturing Conference增材制造国际会议 (ICAM) 是 ASTM AM CoE 的旗舰活动，每年举行一次。这是一个交流关于增材制造材料和组件的想法的论坛，重点是行业标准、设计原则以及资格和认证标准。ICAM国际会议设计有多个专题讨论会，吸引了来自增材制造所有适用领域的利益相关者。2021年ICAM召开在即-11月1-5日，（该活动可通过https://amcoe.org/ewd选择Additive Manufacturing Conference，或直接访问https://amcoe.org/icam2021，注册付费成功后在线播放。

l 备注：

- 选择您计划参加的以上项目，在Discount Code区域输入优惠码3DSV可享受官方给予的折扣优惠。在线付费为美元。（国内信用卡可用）。

- 线上参加2021年ICAM活动（非ASTM会员）价格为575美金，输入优惠码3DSV可享受官方给予的折扣优惠。

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点阵结构数据量太大，你想转个角度看看，但软件非常卡顿；想赶紧把辛辛苦苦建好的点阵模型赶紧保存起来，恰好就死机了，半天的工作付之东流;每一个零件都需要从头开始设计，尽管每次都是用同样方法做同样的操作，生生把自己干成一个工具人;手动给每一个细节特征（比如点阵单胞）都导上圆角，直到软件和你都累到崩溃；三周期极小曲面（TPMS）方程怎么写？在CAD软件里面画TPMS需要什么特殊技能？…….

现在，这些增材制造设计师所经历的挑战，可以交给面向增材制造的高效设计平台—nTopology来解决。

nTopology面向增材制造的高效设计平台©来源：安世亚太

 什么是nTopology？

nTopology是一款面向增材制造的高效设计平台，平台预置了大量增材制造常用的设计工具包，工程师通过调用若干个预置工具包、或自主开发定制的工具包，建立一个工作流，实现复杂几何结构的参数化设计。

nTopology集合了的强大几何建模和仿真分析功能，并充分考虑增材制造的工艺特点，能够帮助工程师快速掌握面向增材制造的设计方法，充分发挥增材制造带来的广阔自由度，同时可重复使用的工作流使得设计流程自动化，大大提高设计效率。

来源：安世亚太

 增材制造设计的全能选手

nTopology设计平台集成了增材制造结构设计、结构仿真、打印切片等涉及全流程的全套功能，包括基本模块、增材制造模块、蜂窝/多孔材料模块、有限元分析模块、轻量化模块、拓扑优化模块。

来源：安世亚太

nTopology采用隐式建模技术，是一种基于数学函数或隐式模型的驱动式设计技术，使nTopology的设计流程具有高速度和可靠性。nTopology兼具CAD、CAE和CAM功能，可快速实现创成式设计、轻量化、拓扑优化等创新设计，输出可用于增材制造的产品解决方案。

来源：安世亚太

基本模块：包括数据导入导出、隐式模型转换/创建/特征操作、布尔运算、驱动设计的场（Field）创建、点阵晶格设计等；

增材制造模块：设置打印平台、添加支撑、切片，以及抽壳、晶格填充轻量化设计；

蜂窝/多孔材料模块：变尺寸、变厚度的晶格填充，复杂表面纹理设计，快速生成蜂窝/多孔材料；

有限元分析模块：线性静力、模态、屈曲、稳态热分析、点阵结构均质化材料分析，并支持有限元模型/网格的输出；

轻量化模块：晶格填充、表面加强筋设计、变厚度的抽壳设计等；

拓扑优化模块：考虑增材悬垂角等制造约束，自动几何光顺、重构，基于拓扑优化的材料密度分布自动进行变厚度的点阵晶格设计。

 三大技术优势

相比于其他大多数设计软件，基于隐式建模技术的nTopology设计平台具有三大技术优势：

1.稳定可靠的隐式建模引擎：nTopology设计平台基于隐式建模技术（一种使用数学函数来表征几何结构外形及内部特征的方法），使得设计流程具有无与伦比的速度和可靠性。

来源：安世亚太

复杂几何结构的设计不再是挑战：可基于内置的工具包快速生成复杂晶格和周期性结构、可控导圆角的布尔运算、变厚度抽壳、复杂的穿孔图案、特殊的表面纹理等；

更快的设计速度：复杂晶格结构生成速度是其他软件的10倍以上，且占用内存小，可实现快速共享和协作；

极好的鲁棒性：基于隐式建模技术，使得nTopology平台中的几何操作永远不会失败，抽壳、布尔运算、偏置、导圆角等均可实现，非常适合解决面向增材制造的复杂结构问题；

良好的工程数据兼容性：其他软件的数据格式均可导入ntop平台， 转换为隐式模型，并用于生成新的几何图形；同时也支持数据导出至其他的CAD、CAM、CAE或PLM系统中。

2. 驱动式设计：驱动式设计提供了一种指定设计特征的参考控制方法，可快速实现基于数学公式、函数、实验数据、有限元分析结果或其他数据的结构参数驱动式设计，生成创新设计解决方案。

来源：安世亚太

预先验证的设计结果：不同于其他的拓扑优化概念设计需要进行结构性能验证，nTopology设计平台的驱动式设计结果，直接来自于基本的工程原理，且可以用预先验证的实验数据进行校准；

用于多物理场的优化问题：基于数学函数的驱动式设计，无论几何结构形状、压力、温度、流量等函数或公式均可作为驱动参数，因此可以实现其他软件无法实现的多目标、多物理场同时优化的复杂问题；

利用现有的工程知识：驱动式设计不仅可以基于有限元分析结果，还可基于实验数据、制造常识和其他的工程经验、工程模型等，具有独特的优势。

3. 可重复使用的工作流：nTopology设计平台的工作流可自定义、可自动化、可重复使用、可共享，大大提高流程效率，同时可帮助工程师获取工程知识。

来源：安世亚太

工作流完全可自定义：nTopology设计平台配备了一套内置的工具包，可以解决大多数工程问题，同时支持自定义工具包，这些用户定义的工作流可以重新打包为自定义工作流，并在其他工作流中重复使用；

工作流可重复使用：通常每个工作流都有特定的输入和输出，当使用相同的方式重新执行输入时，nTopology工作流将总是产生相同的确定性输出；输入参数改变时，可以再次利用已经定义好的工作流，生成新的解决方案。

 nTopology的应用价值

nTopology作为一款面向增材制造的高效设计平台，为客户大大提升设计效率，缩短产品开发的迭代周期，提高产品的性能，解决增材制造全流程的设计需求。

• 自由拖拽模块化的工具开展设计，快速方便搭建设计流程；
• 自定义工作流设计，避免重复搭建设计流程，大大提升设计效率；
• 大量可选晶格及纹理库，快速迭代，实现产品晶格填充及表面纹理设计；
• 快速搭建基于函数、实验数据和仿真分析结果驱动的设计，实现目标驱动的设计；
• 含模型设计、轻量化设计、仿真分析、拓扑优化、打印支撑设计及模型切片等功能模块，可满足面向增材制造的复杂产品打印前准备。

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3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色,3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

本期谷.专栏文章，主要基于Ansys软件对仿生设计微通道散热器与变密度拓扑优化微通道的性能进行相应的分析。微通道散热设计是面向增材制造技术（DfAM）而进行散热器、热交换器设计时的底层通用技术之一。

图1 微通道换热器增材制造应用©安世亚太

微通道换热器，指的是水力直径在10-1000μm的换热器。按外形尺寸可分为：微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。该技术所采用的结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠，因此微通道换热器技术近些年来越来越受到关注，在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却, 以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中有重要的应用前景。

与普通换热器相比, 微型换热器的主要特点在于单位体积内的换热面积很大。相应地, 其单位体积传热系数高达几十到几百MW/( m 3 K) , 比普通换热器要高1～2个数量级。

仿生设计微通道散热对比分析

仿生设计借鉴自然界中具有优良特性的网络拓扑，是在进行微通道设计时采用的主流方法之一，目的是提升高热流密度芯片的散热能力。

本文通过仿真计算对微通道结构进行优化设计和对比分析，对比相同仿真参数下微通道温度分布的不同。

 图2 仿真参数设置©安世亚太

根据散热器的工作换热面积不小于热源器件换热面积的原则，散热器整体尺寸可以任意调整，为了方便对比，选取相同尺寸25mm*25mm*0.8mm。

图3 仿蜘蛛网微通道©安世亚太

图4 仿旋涡微通道©安世亚太

图5 雪花微通道©安世亚太

图6 仿真结果对比©安世亚太

与传统的微通道散热器相比较，上述设计首先通过均衡的微通道截面面积设计保证了工作流体的整体稳定流动模式。但是通道的截面形状和分合设计多次变化。

其次设计了特殊的连通通道组，以方便设计较小的横截面面积和连通通道长，保证流体在通道内部快速流动，及时输运热量，实现短程均匀散热，使其内部的工作流体散热成为散热器散热的核心过程，同时也避免了与之连接的纵向微通道内工作流体单一流向产生沿流动方向温度梯度的问题。

一方面调整沿纵向分通道不同位置的连接通道横截面面积大小，补偿了进入连通通道工作流体的流速损失，使各连通通道内工作流体单位时间的流量相当，从而保证不同连通通道散热能力的均衡。

变密度拓扑优化微通道设计

拓扑优化是根据桁架理论的提出而开始研究的，在国内外学者的共同努力下，桁架理论不断完善，离散结构拓扑优化也相继得到了极大的丰富。

散热拓扑优化就是从结构拓扑优化的研究成果基础上发展而生一种拓扑优化设计方法。基于密度的拓扑优化方法，设计变量通过有限元网格离散，每个单元分配一个唯一的设计变量。

图7 两种设计域进行拓扑优化©安世亚太

图8压力下降50Pa的速度和温度云图©安世亚太

图9压力下降10Pa的速度和温度云图©安世亚太

图10压力下降200Pa的速度和温度云图©安世亚太

图11三种工况下最终的拓扑优化结果©安世亚太

上例主要是基于不同的压降进行不同工况下的散热拓扑优化，其中散热器的传热性能可以通过其热阻来测量。

由于拓扑优化的复杂性，只有少量的问题可以用解析的方法人工进行求解。为了满足工程中的复杂要求，需要借助计算机用数值方法求解拓扑优化问题。

因此，解决拓扑优化的挑战首先在于如何在计算机中用离散模型描述拓扑；其次是如何建立一个可供计算机求解的优化模型。随着计算机运算速度和存储能力的提高以及有限元等分析工具的成熟，采用计算机求解拓扑优化问题逐渐会发展成求解散热问题的热门领域。

李菁

安世亚太流体咨询专家，航天工程专业，硕士学位，4年数值仿真经验，涉及高超声速、多相流、颗粒物、燃烧、传热分析等多个领域，目前主要参与多个增材设备流体仿真分析项目，积累了大量3D打印设备流体优化经验。

l 文章来源：安世亚太

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克服金属增材制造零件残余应力的主要方法包括：通过热处理释放掉；余热成形平台或加热成形室；选择合适的扫描策略；设计合理的零件结构。而克服残余应力的最佳方法是通过零件本身的设计尽可能多地消除残余应力。

本期谷.专栏文章将重点介绍如何通过DfAM(面向增材制造的设计)尽可能多地消除金属增材制造零件的残余应力。

 怎样克服残余应力

残余应力是当物体没有外部因素作用时，在物体内部保持平衡而存在的应力。工件在制造过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后，若构件所受到的上述作用与影响不能随之而完全消失，仍有部分作用与影响残留在构件内，则这种残留的作用与影响，就是残余应力。

增材工艺仿真软件计算可以得到残余应力结果，工程技术人员根据仿真结果确定最佳摆放方向、最佳工艺参数、结果变形量等因素。

ANSYS软件增材制造残余应力仿真结果

但是在现阶段，如何改进残余应力的分布仍然取决于设计师的经验，因此在设计增材制造的零件时，避免残余应力的想法必须时刻存在于工程师的脑海中。

残余应力造成打印失败

残余应力产生的原因有很多，主要包括：

• 零件在冷却过程中（特别是在大块材料中）从表面到中心存在的温度梯度，其中零件内部的冷速比零件外部的冷速慢；
• 塑性变形；
• 材料相变。

克服残余应力通常有几种方法：

• 通过热处理释放掉；
• 余热成形平台或加热成形室；
• 选择合适的扫描策略；
• 设计合理的零件结构。

克服残余应力的最佳方法是通过零件本身的设计尽可能多地消除残余应力。

具体包括：

• 减少厚度不均匀的区域；
• 尽量避免较大的横截面变化；
• 增加结构本身的刚度；
• 减少每一层的烧结面积。

 优化设计减少残余应力案例

新加坡淡马锡理工学院通过一个案例展示了如何通过优化设计减少金属打印零件的残余应力。

原始设计在打印过程中产生了相当大的残余应力，严重到将零件从成型平台或支撑上剥离。

原始零件

原始零件结构虽然经过了拓扑优化，但并不一定适用于金属增材工艺。零件包含较多的实心体积，又有许多厚度不均匀的地方，这会造成很大的应力。另外，尖锐的内部拐角也会引起应力集中（或应力升高），从而可能导致零件过早失效。

在抱箍的螺栓孔周围，可以去除不必要的材料，避免它们成为残余应力过大区域。并且使用肋条来增加结构的刚度，肋条的宽度为2 mm，以便在肋条与圆柱体连接处不会产生不均匀的厚度。重量也比原来减轻25%。

对于零件的主体部分，较厚的中心部分被分成3个壁厚均匀的支架，并且这些支架被设计为U型截面，所有厚度保持为3mm。此外，每个内角都做倒角处理，以避免在结合处产生应力集中的风险。新结构重量为原始支架的47%。

新设计的结构成功地以两个不同的方向进行了打印，而且打印过程中零件丝毫没有脱离成型平台或支撑。较小的部分在水平和竖直方向上进行打印，而较大的主支架在一个方向上进行打印，并且其中一个夹钳处于水平位置，另外两个夹钳都以一定角度倾斜以实现较低的打印高度。

减少在制造过程中可能积累在零件中的残余应力，也可以大大减少制造完成后对热处理的需求。

此外，可以使用不同的激光扫描策略最大程度地减少残留应力的累积。

以上通过DfAM (面向增材制造设计)减少金属增材制造零件残余应力的案例容节选自《增材制造设计（DfAM）指南》一书。该书就如何面向增材工艺设计零组件以获取成本和性能的最大收益，提供了详尽的指南和丰富的案例，适合对增材制造技术有一定基础的读者，非常值得一读。

马立敏

高级工程师，安世亚太首席专家，北京航空航天大学/中国商飞公司博士后。主要研究方向为增材制造创新设计与应用，设计的产品多次获得全国性学会及行业大奖，在增材制造创新设计与应用方面具有丰富的经验和独到的见解。

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