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Shutian LIU,Quhao LI,Wenjiong CHEN,Liyong TONG,Gengdong CHENG
《机械工程前沿(英文)》 2015年 第10卷 第2期 页码 126-137 doi: 10.1007/s11465-015-0340-3
Additive manufacturing (AM) technologies, such as selective laser sintering (SLS) and fused deposition modeling (FDM), have become the powerful tools for direct manufacturing of complex parts. This breakthrough in manufacturing technology makes the fabrication of new geometrical features and multiple materials possible. Past researches on designs and design methods often focused on how to obtain desired functional performance of the structures or parts, specific manufacturing capabilities as well as manufacturing constraints of AM were neglected. However, the inherent constraints in AM processes should be taken into account in design process. In this paper, the enclosed voids, one type of manufacturing constraints of AM, are investigated. In mathematics, enclosed voids restriction expressed as the solid structure is simply-connected. We propose an equivalent description of simply-connected constraint for avoiding enclosed voids in structures, named as virtual temperature method (VTM). In this method, suppose that the voids in structure are filled with a virtual heating material with high heat conductivity and solid areas are filled with another virtual material with low heat conductivity. Once the enclosed voids exist in structure, the maximum temperature value of structure will be very high. Based upon this method, the simply-connected constraint is equivalent to maximum temperature constraint. And this method can be easily used to formulate the simply-connected constraint in topology optimization. The effectiveness of this description method is illustrated by several examples. Based upon topology optimization, an example of 3D cantilever beam is used to illustrate the trade-off between manufacturability and functionality. Moreover, the three optimized structures are fabricated by FDM technology to indicate further the necessity of considering the simply-connected constraint in design phase for AM.
关键词: additive manufacturing topology optimization manufacturability constraints design for additive manufacturing simply-connected constraint
韩品连
《工程(英文)》 2017年 第3卷 第5期 页码 648-652 doi: 10.1016/J.ENG.2017.05.017
喷气发动机部件的增材设计(AD)和增材制造(AM)将彻底改变传统的航空航天工业。增材设计的独特性开创了喷气发动机设计和制造的新方向,比如梯度材料和微观结构。工程师已经从传统方法和技术的诸多限制中解放出来。增材制造过程最重要的特征之一是其可以确保零件的一致性,因为它始于点,继而到线和层面,直至整个部件完成。设计和制造之间的协调是空气动力学、热力学、结构整合、传热、材料开发和加工等方面取得成功的关键。工程师必须改变设计零件的方式,因为他们要从传统的“减材”方法转移到“增材”的新方法来制造零件。增材设计与增材制造设计不一样。我们需要一种新方法和新工具来协助这种新的设计和制方式。本文详细讨论了增材设计与增材制造中的需求,以及如何解决当前的问题。
Emmanuel TROMME, Atsushi KAWAMOTO, James K. GUEST
《机械工程前沿(英文)》 2020年 第15卷 第1期 页码 151-165 doi: 10.1007/s11465-019-0564-8
关键词: multiscale topology optimization micro-structure additive manufacturing reduction techniques substructuring static condensation super-element
多功能结构设计与原位制造 Article
张岩, 张广玉, 乔菁, 李隆球
《工程(英文)》 2023年 第28卷 第9期 页码 58-68 doi: 10.1016/j.eng.2022.11.009
多功能结构(MFS)通过多种功能融合以实现优异的综合性能,然而传统的多功能结构设计和制造方法通常缺乏质量控制,并且单一结构内集成不同材料和器件时需使用复杂装备和多种工艺,无法满足新兴产业如航天工程对多功能结构的应用要求。采用“为了制造而设计”的思想,我们利用基于分层调控原理的优化设计模型,设计出了同时包含机械承载、电气、导热和辐射屏蔽多种功能的典型结构;并且开发了一种高温原位增材制造(AM)技术,可打印各种金属丝和碳纤维增强的高熔点聚醚醚酮(PEEK)复合材料。研究结果表明,所设计的多功能结构相比同尺寸聚醚醚酮树脂基板具有更低质量,而且刚度提升了21.5%;集成的电学器件在多功能结构超出弹性变形阶段后仍然正常工作;与聚醚醚酮基板相比,多功能结构中心热源区域下方的等效导热率提高了568.0%,辐射屏蔽性能增强了27.9%;最终,我们以多功能结构为基础,研制了模块化拼装的卫星模型。这项工作不仅为高性能设计和先进制造提供了一套系统方法,并为高端装备的功能拓展和性能提升提供了重要的应用前景。
力学超构材料的结构设计与增材制造研究进展 Review
卢晨曦, Mengting Hsieh, 黄志锋, 张驰, 林耀军, 沈强, 陈斐, 张联盟
《工程(英文)》 2022年 第17卷 第10期 页码 44-63 doi: 10.1016/j.eng.2021.12.023
力学超构材料可以被定义为一类结构材料,它前所未有的力学性能源自人工结构设计而非其组成材料。虽然宏观尺度和简单设计的结构可以通过传统的自上而下方式来制备,但许多不同尺度下的复杂设计仍然难以实现。增材制造(AM)的最新进展导致了许多新的超构材料理念的实现。AM方法能够制造具有高精度、极其复杂和高特征保真度的微尺度结构,使力学超构材料的快速发展成为可能,并大大降低了设计计算和实验验证周期。本文首先基于所需的力学性能详细地回顾了各种拓扑结构,包括刚度、强度和负泊松比超构材料,然后讨论了能够制造这些超构材料的AM技术。最后,我们讨论了目前面临的挑战,并提出了AM和力学超构材料的未来发展方向。
Design and applications of morphing aircraft and their structures
《机械工程前沿(英文)》 2023年 第18卷 第3期 doi: 10.1007/s11465-023-0750-6
关键词: morphing aircraft additive manufacturing lattice structure smart material flexible structure flexible skin
Manufacturing cost constrained topology optimization for additive manufacturing
Jikai LIU, Qian CHEN, Xuan LIANG, Albert C. TO
《机械工程前沿(英文)》 2019年 第14卷 第2期 页码 213-221 doi: 10.1007/s11465-019-0536-z
关键词: topology optimization manufacturing cost additive manufacturing powder bed
Jinghua XU, Hongsheng SHENG, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN, Jinlian DENG
《机械工程前沿(英文)》 2021年 第16卷 第1期 页码 133-150 doi: 10.1007/s11465-020-0610-6
关键词: surface accuracy optimization multiple circular holes additive manufacturing (AM) part build orientation triangular fuzzy number (TFN) digital twins
增材制造(3D打印)发展趋势 Perspective
卢秉恒, 李涤尘, 田小永
《工程(英文)》 2015年 第1卷 第1期 页码 85-89 doi: 10.15302/J-ENG-2015012
增材制造又称为3D打印,在过去30年间取得了快速发展并展示出前所未有的发展潜力。同时,这项发展潜力巨大的技术对传统工业也产生了不可估量的影响。3D打印技术将会推动生产模式的变革,通过实现5个“任意”的工艺发展,将会为制造行业带来一个以定制化制造为特征的新时代。3D打印的技术进步及其与传统制造工艺的融合,将推动制造业在材料研发、产品设计、生产工艺等方面进一步创新发展。最终,3D打印技术将与等材制造、减材制造形成三足鼎立局面,共同分享整个社会的制造业价值。
Additive manufacturing: technology, applications and research needs
Nannan GUO, Ming C. LEU
《机械工程前沿(英文)》 2013年 第8卷 第3期 页码 215-243 doi: 10.1007/s11465-013-0248-8
Additive manufacturing (AM) technology has been researched and developed for more than 20 years. Rather than removing materials, AM processes make three-dimensional parts directly from CAD models by adding materials layer by layer, offering the beneficial ability to build parts with geometric and material complexities that could not be produced by subtractive manufacturing processes. Through intensive research over the past two decades, significant progress has been made in the development and commercialization of new and innovative AM processes, as well as numerous practical applications in aerospace, automotive, biomedical, energy and other fields. This paper reviews the main processes, materials and applications of the current AM technology and presents future research needs for this technology.
关键词: additive manufacturing (AM) AM processes AM materials AM applications
一种将拓扑优化设计转化为增材制造结构的实现方法 Article
刘书田, 李取浩, 刘君欢, 陈文炯, 张永存
《工程(英文)》 2018年 第4卷 第2期 页码 277-285 doi: 10.1016/j.eng.2017.09.002
Xiaodong NIU, Surinder SINGH, Akhil GARG, Harpreet SINGH, Biranchi PANDA, Xiongbin PENG, Qiujuan ZHANG
《机械工程前沿(英文)》 2019年 第14卷 第3期 页码 282-298 doi: 10.1007/s11465-019-0526-1
关键词: direct metal deposition laser-based manufacturing rapid manufacturing selective laser melting additive manufacturing
拓扑优化中采用增材制造填充构件的结构屈曲荷载提升设计 Artical
Anders Clausen, Niels Aage, Ole Sigmund
《工程(英文)》 2016年 第2卷 第2期 页码 250-257 doi: 10.1016/J.ENG.2016.02.006
增材制造可实现优质多功能构件所具有的高度复杂几何构型的制备。可以直接制备内含多孔填充的结构部件是其独有特征的一个例证。现有的设计方法还难以充分利用这一设计自由度,直接获得类似结构的设计。本文将展示涂层方法 (coating approach) 的拓扑优化方法来作为多孔填充构件的设计方法,所设计的构件具有显著改进的临界屈曲载荷,从而使得整体结构部件的稳定性增强。传统的柔顺性拓扑优化方法极少在数学模型中考虑构件的屈曲约束,稳定性要求通常要经过后续的校核与改进过程满足。这一后续过程往往只能获得次优设计。本文所展示的方法弥补了传统柔顺性拓扑优化模型中难以考虑构件屈曲约束的缺陷。利用涂层拓扑优化方法与传统柔顺性拓扑优化同时对经典的MBB 梁进行设计,并采用熔丝增材制造技术对设计结果进行了制备。实验结果验证了涂层方法的数学模型的正确性。由于填充材料的性质,在相同条件下,涂层优化得到的多孔填充结构的屈曲载荷比传统优化得到的实体结构高四倍以上。
王磊,卢秉恒
《中国工程科学》 2022年 第24卷 第4期 页码 202-211 doi: 10.15302/J-SSCAE-2022.04.018
标题 作者 时间 类型 操作
An identification method for enclosed voids restriction in manufacturability design for additive manufacturing
Shutian LIU,Quhao LI,Wenjiong CHEN,Liyong TONG,Gengdong CHENG
期刊论文
Topology optimization based on reduction methods with applications to multiscale design and additivemanufacturing
Emmanuel TROMME, Atsushi KAWAMOTO, James K. GUEST
期刊论文
Manufacturing cost constrained topology optimization for additive manufacturing
Jikai LIU, Qian CHEN, Xuan LIANG, Albert C. TO
期刊论文
Surface accuracy optimization of mechanical parts with multiple circular holes for additive manufacturing
Jinghua XU, Hongsheng SHENG, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN, Jinlian DENG
期刊论文
Review of materials used in laser-aided additive manufacturing processes to produce metallic products
Xiaodong NIU, Surinder SINGH, Akhil GARG, Harpreet SINGH, Biranchi PANDA, Xiongbin PENG, Qiujuan ZHANG
期刊论文