導讀：結構優(you) 化設計是一個(ge) 經典又傳(chuan) 統的問題，從(cong) 古至今人類始終都在追求材料的高效利用。如何使用科學的方法來快速高效地設計合理的結構，一直以來都是工程師和設計師所追求的終極目標。

　　作為(wei) 力學領域的一個(ge) 重要分支，結構優(you) 化設計以力學為(wei) 基礎，集數學、物理、材料科學、計算機科學甚至圖形學等許多不同學科不同領域於(yu) 一體(ti) ，一般是指為(wei) 了滿足某一種或多種特定目標（如材料消耗最少化、建造成本最小化、結構強度最大化、結構美感最大化等等），在某些需要滿足的約束下（如體(ti) 積約束、重量約束、幾何約束等），對整體(ti) 或局部結構進行的優(you) 化設計與(yu) 改進。

　　通常情況下，結構優(you) 化（Structural Optimization）按照問題的難度和對結構的改變程度，可以分為(wei) 三個(ge) 不同的層次，分別為(wei) ：

　　● 尺寸優(you) 化（Size Optimization）

　　● 形狀優(you) 化（Shape Optimization）

　　● 拓撲優(you) 化（Topology Optimization）

　　尺寸優(you) 化：優(you) 化結構各個(ge) 部件的尺寸參數，如杆的粗細，殼的厚度，構件的截麵尺寸等等。

　　△尺寸優(you) 化

　　形狀優(you) 化：一般是指在保持結構拓撲連接關(guan) 係不變的前提條件下，將構件的截麵形狀，節點的空間位置或者連續體(ti) 的形狀等作為(wei) 設計變量，即通過修改模型的形狀與(yu) 邊界，來改變整體(ti) 結構的幾何特征。

　　△形狀優(you) 化

　　拓撲優(you) 化：拓撲優(you) 化的概念來自於(yu) 拓撲學，一般是指在某種給定的優(you) 化準則和需要滿足的約束條件下，在模型需要優(you) 化的區域即設計域內(nei) 確定實體(ti) 域一般指材料的數量及布局，例如確定結構中各個(ge) 構件（如梁、柱、牆等）的布局及其節點的空間位置與(yu) 連接關(guan) 係。簡單的來說，就是給一定數量的材料，通過確定這些材料在整個(ge) 設計域內(nei) 的空間分布，使得最終得到的結構在滿足條件的前提下達到最大的結構強度。

　　△拓撲優(you) 化

　　從(cong) 尺寸優(you) 化到形狀優(you) 化再到拓撲優(you) 化，問題的複雜度越來越高，難度也變得越來越大，因此它們(men) 在工程應用中的成熟度依次降低。然而在實際設計中，這三個(ge) 優(you) 化層次的使用順序恰好相反，分別對應於(yu) 三個(ge) 不同的設計階段。

　　一般整個(ge) 結構的拓撲結構要在概念設計階段初步決(jue) 定，這也是整個(ge) 設計過程中難度最大的階段，拓撲結構能夠體(ti) 現設計者的創意、水平，能夠反映結構的構造。確定了拓撲結構之後，便進入基本設計階段，即進一步優(you) 化各個(ge) 部件的形狀，最後再進入詳細設計階段，確定每一個(ge) 部件的尺寸大小。整個(ge) 設計過程遵循從(cong) 整體(ti) 到局部的設計理念，即先從(cong) 宏觀上設計整體(ti) 結構，再從(cong) 局部改進構造、優(you) 化尺寸。

　　當然，一個(ge) 優(you) 秀的結構一般很難通過這個(ge) 過程就能一次確定下來，在實際設計時這個(ge) 過程一般需要不斷地迭代更新，以在滿足各種設計需求的前提下，達到最終的目的。

　　同時，如何在結構優(you) 化設計過程中考慮增材製造工藝約束，實現優(you) 化結果的快速直接製備，也是一個(ge) 非常重要的關(guan) 注點。增材製造並非完全“自由”製造，仍然存在獨特的製造約束，主要包括以下三類：結構最大/最小尺寸、支撐結構、製造缺陷（表麵粗糙度、材料各向異性等）。

　　1、尺寸特征

　　不同的3D打印設備具有不同的成型尺寸和打印精度，因此在結構設計時要注意最大/最小尺寸。一般情況下，結構的最大尺寸由成型平台決(jue) 定，過大的結構應當設計工藝分離麵和連接形式。最小尺寸特征由打印設備的精度、分辨率、光斑大小等參數決(jue) 定，設計師應當避免無法製造的細杆、小孔等結構。

　　△增材製造結構的連接形式和測試樣件

　　△增材製造結構的最小尺寸約束

　　2、支撐結構設計

　　增材製造過程中，往往需要在懸垂結構下方添加支撐結構，以防止製造過程中結構坍塌。但是支撐結構不僅(jin) 僅(jin) 會(hui) 帶來材料的浪費、打印時間的增加，而且在後處理過程中帶來工藝難度增加，影響結構最終表麵精度。因此設計自支撐結構，在優(you) 化過程中自動識別特征結構，避免大懸挑結構。

　　筆者分享一個(ge) 設計小技巧：當支撐麵無法避免時，那麽(me) 就把表麵質量要求最高的麵設計為(wei) 支撐麵，這與(yu) 支撐麵表麵質量最差的常識正好相反。因為(wei) 增材製造的零件一般無法滿足直接裝配的要求，裝配麵等質量要求高的麵需要再次機械加工，這樣做的好處是去支撐的後處理過程正好與(yu) 機械加工同時進行。

　　3、製造缺陷

　　增材製造技術雖得到了飛速的發展，然而整體(ti) 來看該製造工藝仍處於(yu) 技術發展初期，產(chan) 品往往存在一些缺陷，例如材料各向異性、表麵粗糙、內(nei) 部孔洞、材料性能不穩定等問題。設計者應當考慮製造缺陷對結構性能的影響，主要包括：設計較大的安全裕度（＞1.5），設計時考慮無損檢測的可檢性和可達性，缺陷易發區域設計為(wei) 非關(guan) 鍵區域等。

　　總之，麵向增材製造的設計（Design for Additive Manufacturing，簡稱DfAM或增材設計）就是從(cong) 產(chan) 品功能出發，同時兼顧增材製造工藝的可行性的設計方法，它是在關(guan) 注增材製造工藝的商業(ye) 化應用過程中實現對零件、組件甚至係統的重新設計。在此基礎上，安世亞(ya) 太提出DfAM設計方法，就是基於(yu) 增材思維的先進設計與(yu) 智能製造整體(ti) 解決(jue) 方案，是新一代造物革命下的全新設計範式。

　　近期，由安世亞(ya) 太翻譯出版的《增材製造設計（DfAM）指南》正在熱銷，作者是瑞典隆德大學的三位學者——奧拉夫·迪格（Olaf Diegel）教授、阿克塞爾·諾丁（Axel Nordin）博士和達米安·莫特（Damien Motte）博士。2019年8月，奧拉夫·迪格教授在接受PLM Group媒體(ti) 采訪時，談到加速增材製造技術大規模商用化的關(guan) 鍵，是學習(xi) 增材設計；為(wei) 了服務廣大增材設計和製造從(cong) 業(ye) 人員，縮短學習(xi) 曲線，避免重複發明輪子，所以撰寫(xie) 這本實用指南。

　　本書(shu) 就如何麵向增材工藝設計零組件以獲取成本和性能的最大收益，提供了詳盡的指南和豐(feng) 富的案例，包括增材製造導論、增材製造工藝、增材設計戰略、增材設計分析優(you) 化工具、零件合並準則、增材工藝工夾具設計準則、麵向聚合物和金屬的增材設計、後處理、以及增材製造的健康安全和零件認證、增材製造的未來等章節。作為(wei) 全球第一本的增材設計專(zhuan) 著，本書(shu) 中譯本將為(wei) 我國增材產(chan) 業(ye) 從(cong) 業(ye) 者、工業(ye) 產(chan) 品研發設計、工藝和製造人員，帶來全方位的以增材思維驅動的增材設計細節知識和工程應用經驗分享。