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增材制造结构轻量化设计要求

1范围

本文件规定了增材制造结构轻量化设计流程、工艺约束设计要求、基于三维点阵的轻量化结构设计要求、基于拓扑优化的结构轻量化设计要求。

本文件适用于增材制造结构轻量化设计。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其必威体育精装版版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T18784.2CAD/CAM数据质量保证方法

GB/T24734.4技术产品文件数字化产品定义数据通则第4部分：设计模型要求

GB/T35351增材制造术语

GB/T37698增材制造设计要求、指南和建议

3术语和定义

GB/T35351界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1

工艺约束processconstraints

增材制造工艺对于结构轻量化设计的要求，包括悬垂约束、极限加工尺寸约束、封闭空腔约束等方面。

注：设计者应考虑增材制造工艺的确定哪些因素可能影响零件设计并采取适当的措施。3.2

悬垂结构overhangstructure

待制造模型中，沿重力方向无直接接触实体的区域，一般需要添加支撑结构以确保可打印性。3.3

悬垂角overhangangle

悬垂结构外切面与水平面的锐角夹角。3.4

极限悬垂角limitoverhangangle不需要添加支撑结构的最小悬垂角。

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3.5

悬臂长度lengthofoverhangingbeam打印件悬垂结构等效为悬臂梁后的长度。

3.6

阶梯效应Stair-stepeffect

受增材制造逐层叠加的影响，零件的3D几何形状在打印之前被转换为2.5D图像后，与原始几何形状的偏差引起的结果误差。

3.7

三维点阵结构latticestructure

利用三维设计软件或数学方法设计的周期性或非周期性布置的拓扑有序的三维开孔阵列结构，以优化材料布局、减少材料使用，可用于结构轻量化设计。

3.8

拓扑优化topologicaloptimization

一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种，可用于结构轻量化设计。

3.9

极小尖角结构sharpstructure

待制造模型中，形成极小角度的结构。3.10

孤岛island

仅在成形过程的后期连接以形成零件的特征。

4概述

增材制造结构轻量化设计是在初始三维CAD模型的基础上，通过实施模型优化设计以构建适用于增材制造的三维轻量化结构。优化设计主要基于三维点阵设计、拓扑优化设计等方法实现结构的轻量化，同时需要结合增材制造的工艺特点，根据不同的工艺类型评估设计要素（设计要素包含模型几何特征的可制造极限、是否需要支撑、是否需要开孔等增材制造工艺约束）。

增材制造结构轻量化设计流程图见图1。

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图1增材制造结构轻量化设计流程

5轻量化设计模型数据质量要求

5.1通则

模型数据质量是从结构轻量化设计阶段开始到设计结束的整个过程中都应注意的问题。设计模型数据质量应满足GB/T24734.4和GB/T18784.2的要求。

5.2转换为三维工艺模型文件格式前的检查准则

三维设计模型转换成三维工艺模型文件的过程中，可能会出现非流形、孔洞、裂缝、逆向法向量、数据冗余等错误。容易影响后续的工艺约束设计、结构轻量化设计、切片和路径规划等数据处理工作，需要对待转换的模型数据进行质量检查，对于不满足质量要求的模型进行修复。

检查准则如下：

a）待转换的设计模型表面须连续，且修整为不包括孔洞、裂缝的封闭壳体；

b）待转换的模型数据不应包含原始CAD模型中零件实体以外的任何辅助元素(如图层、柱面、轴线、要素等)；

c）在转换之前，设计模型应被转换成实体模型，即表面应具有明确的外法向量指向实体的外部。

6基于三维点阵的结构轻量化设计要求

6.1均匀密度三维点阵设计

6.1.1三维点阵胞元设计

根据结构的机械性能、热学性能等功能需求，通过改变胞元形状、胞元尺寸、胞元支柱最小直径以及胞元支柱的悬垂角度，设计满足一定的力、热、磁属性的功能点阵胞元，如图2所示。

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图2三维点阵胞元示意图

6.1.2三维点阵填充角度

如图3左图所示，三维点阵平行于成形方向填充，每个胞元支柱均存在水平悬垂结构（如图中A所示）；图3右图点阵与成形方向呈角度θ,如粉末床熔融工艺中，当θ≥45°时，能够有效减少悬垂结构（如图中B所示）。

宜考虑第8章的增材制造工艺约束，合理设计三维点阵结构填充角