OFweek 3D打印網訊增材製造通常被稱為3D打印，與傳統的製造方法相比，這種製造工藝擁有諸多優點。使用增材製造技術可以生產出幾何形態極為複雜的組件，這使得設計師和工程師擁有了無可比擬的設計靈活性，並能夠實現結構更加高效、更為輕量化的設計。如今，越來越多的各領域公司都試圖通過增材製造獲得利益。但是，大家很快就發現了這樣的事實：只有在待生產組件的設計滿足增材製造工藝的具體需要和約束時，3D打印的優勢才能充分發揮出來。 　　2015 年，VTT（Technical Research Centre of Finland Ltd.，芬蘭國家技術研究中心）在芬蘭發起了一項研究計劃，主要目的是進行增材製造的可行性研究。多個公共機構和民間組織出資贊助該項目，包括芬蘭的公立資助機構Tekes、VTT 以及芬蘭的多家小型企業。 　

　VTT是北歐地區領先的科研和技術企業，由芬蘭政府直接管控。在成立至今的73 年中，VTT 在私人和公共領域為國內外的客戶與合作夥伴提供了專業技術諮詢服務、頂級技術研發和科學解決方案。VTT 的科研人員不斷開發新的智能技術、打造高回報的創新解決方案，並與客戶緊密合作，開發出既有利於客戶公司，又有益於社會的新技術。 　　挑戰 　　在這一增材製造項目中，VTT 的工程人員選擇使用Nurmi Cylinders（芬蘭液壓缸產品製造商，同時也是該項目的讚助方之一，其經營領域涉及海洋平台、工業產品、船舶和移動液壓）的閥組作為​​示例。大家希望通過該項目找到一種專門面向增材製造，並可充分發揮其優勢的設計方式。項目的目標是使用增材製造方式縮小閥組的尺寸、減少其材料用量並優化和改良其內部管路，進而為客戶打造出更好的組件。 　

　負責該3D打印閥組項目的工程師是VTT研究員Erin Komi。Erin 主攻有限元聲學仿真，負責為VTT 的客戶進行不同產品的聲學建模。最近，她開始進行增材製造設計項目，並在項目中應用拓撲優化和其他設計工具。 　　解決方案 　　並非所有組件或產品都適合採用3D打印，具體情況要根據其尺寸、形狀和設計以及所需數量來決定。閥組就非常適合採用3D 打印，而且如果通過增材製造方式來生產，這種組件在重量、性能和設計自由度方面都有很大的提升空間。採用傳統方式設計閥組時，首先要從一個金屬塊開始​​。先通過傳統製造方法將金屬塊修整為所需外形，然後鑽出供液壓流體流通的內部管路。想要精確地鑽出這些管路非常困難：它們需要在特定點準確交匯，但在一些“盲”鑽位置上，管路​​時常無法精確對準。此外，鑽洞時需要開工藝孔並在最後加以密封，這就導致組件有可能在工藝孔的位置發生洩漏。 　　VTT的工程人員希望通過採用優化設計和增材製造方法來替換現行的笨拙製造方式，從而改善閥組內部管路的設計​​和製造，並最終打造出更小、更輕、性能更強的產品。 　　為設計、優化和分析閥組，VTT決定使用Altair Engineering 的HyperWorks CAE軟件套件。套件中的優化工具和有限元求解器OptiStruct是VTT的第一選擇。“我們直接選擇了OptiStruct。”Erin Komi 說道，“我們曾經使用過這款軟件，我了解它的工作流程，而且對結果也很滿意。所以我們順理成章地選擇使用OptiStruct。” 　　“市面上有很多其它產品也能進行拓撲優化。”她繼續說道，“但我覺得HyperWorks在結果分析方面要更容易一些，這一點也很重要。OptiStruct 非常靈活，它具備許多不同的負載應用方式，並能加入響應和約束條件，這對我們的工作很有幫助。OptiStruct 賦予工程師更多的設計自由度，來建立合適的模型。” 　

使用OptiStruct等工具進行拓撲優化的一個顯著優點在於，設計組件時無需再建立CAD模型。只要工程師定義好設計空間及其限制條件和負載與其它邊界條件，優化工具就會給出最優的設計方案。在VTT項目中，客戶提供了邊界條件和額外的內部限制條件，例如閥門的實際放置位置以及要加以考慮的加工誤差。內部管路的尺寸、位置和方向以及一部分非設計空間也由客戶選定。此案例中的設計空間是閥組，組件上開有多個孔洞，用於安裝連接螺栓。OptiStruct中的形狀生成工具OSSmooth在幫助VTT創建閥組優化設計的過程中起到了重要作用。工程師可利用OSSmooth自動對設計進行網格劃分並重新分析，以確保滿足所有​​初始設計需求，而且不超出任何壓力限值。在那時，設計還只停留在粗略模型的階段，經常存在一些壓力尖峰。這種情況下並不適合進行3D打印。 　　為解決這一問題，VTT使用了Altair合作夥伴聯盟中的一款由Materialise 出品的軟件應用——3-maticsSTL。HyperWorks 用戶憑藉其現有的HyperWorks許可證即可通過合作夥伴聯盟訪問諸多第三方工具，無需額外支付費用。通過3-maticSTL軟件，可對3D貼圖、輕量級模型和保形結構進行設計修改、重新網格劃分及創建，而這一切都在STL（光固化立體造型）層面上進行。在這個項目中，3-maticsSTL幫助Komi將其優化後的網格轉化為可打印文件。

　　Komi解釋說：“我通過Altair了解了Materialise。在某些開發步驟中，我嘗試使用HyperMesh來準備用於打印的模型，結果發現這項工作非常麻煩。要花費幾天的時候，而結果卻並不盡如人意。當我接觸到3-maticsSTL並開始嘗試使用之後，過去需要數日的工作現在只要幾個小時就能完成，而且最終效果要比以前更好。還有一個優點是，我們​​可以通過我們的HyperWorks許可證訪問該工具，所以不需要額外的軟件投資。” 　　閥組經歷了多次設計迭代。在特定區域上，Komi得到的結果要比客戶提供的原始設計空間尺寸更小。結果證明，客戶認為設計空間越小，優化後的最終設計就能更小，所以縮小了設計空間的尺寸。然而，事實未必如此。只需給定在壓力和施力作用下的自然流動情況，並採用完全自由的設計方式，CAE 結構工程師就能獲得最佳優化結果，其中就包括最輕最小但剛度最高的設計。 　　

為進一步優化閥組的性能，Komi改變了內部液體管路的走向。起初，這些管路呈S 形彎曲，橫截部分為圓形。為了採用增材製造方式生產該閥組，VTT必須要使用SLM（選擇性激光熔融）設備。由於管路過於狹窄，如果使用SLM 方法，就無法按照建議在管路內添加內部支撐。而VTT 與客戶共同製定的解決方案是維持相同的橫截區域，但更改管路的形狀和路徑。 　　項目的主要目標之一是建立針對SLM的“設計規則”。其中包括各類指南，比如，既然設計中不需要支撐結構，那麼可採用橢圓形或菱形通路設計來取代圓形通路，從而使整體結構更便於使用SLM方法進行打印。VTT得到的另一個結果是，打印結構與基板之間的最佳夾角為45度。根據這些堪稱SLM打印機最佳實踐的設計規則，VTT可以定義一系列的“設計規則”，並在此後推薦給客戶。