增材制造结构设计

本书系统介绍了增材制造技术在结构设计中的革新应用，从创新设计与技术的融合开篇，逐步展开对增材制造技术、工艺流程及标准的细致阐述，为读者奠定坚实的理论基础。随后，聚焦于增材制造结构设计的基本原则与前沿策略，如拓扑优化、免组装、仿生设计和创成式设计等，这些策略不仅挑战了传统设计的边界，更为增材制造领域注入了无限创意与可能。书中通过丰富的实例分析，将抽象的理论知识与实际设计案例紧密结合，使读者能够直观感受到增材制造技术在提升设计效率、优化产品性能方面的巨大潜力。此外，本书还特别强调了优化设计理论的重要性，并详细介绍了拓扑优化设计软件的应用，为工程师们提供了从理论到实践的全方位指导。同时，对质量控制与无损检测技术的讲解，也为保障增材制造产品的质量与可靠性提供了有力支持。
本书可作为高等教育相关专业的教材，也可供增材制造领域工程技术人员参考。

江五贵，教授，博士，近期主要从事先进制造技术多尺度力学方面的研究工作。受聘江西省“井冈学者”特聘教授，上海大学兼职博士生导师，担任多个国际期刊编委。为国家自然科学基金、江西省科技厅和湖南省科技厅科技项目评估专家。获澳大利亚教育部奋进学者奖励（EndeavourResearchFellowship），多次获江西省优秀硕士论文指导教师称号。至今主持5项国家自然科学基金项目。在增材制造领域顶刊AdditiveManufacturing等期刊发表学术论文100余篇，其中SCI收录60余篇。

在科技日新月异的今天,增材制造技术,亦称3D打印技术,正以前所未有的速度改变着制造业的面貌。它以独特的“自下而上”的制造方式,突破了传统减材或等材加工技术的局限,为产品设计、原型开发、个性化定制乃至批量化生产开辟了全新的路径。特别是随着增材制造技术作为新工科专业的兴起,众多学校纷纷开始单独招生,然而,市场上却缺乏一本系统而深入的增材制造结构设计方面的专业教材。正是基于这样的背景与需求,我们精心编写了这本《增材制造结构设计》,旨在为读者搭建一座从理论到实践的桥梁,引领他们深入探索增材制造的无限可能。
本书作为增材制造工程方向的专业图书,力求全面而深入地介绍增材制造结构设计的基本原理、方法、应用及前沿发展。我们不仅关注技术层面的细节,更重视培养学生的创新思维和设计能力,使其能够灵活运用增材制造技术的优势,设计出性能优越、结构新颖的产品。我们注重理论与实践的结合,通过大量实际案例和实验数据,帮助学生直观理解抽象概念,增强实践能力。同时,本书还注重跨学科知识的融合,拓宽学生的视野,培养其综合运用多学科知识解决问题的能力。此外,我们紧跟增材制造技术的最新发展动态,介绍最新的研究成果和技术趋势,激发学生的探索欲和创新精神。
在编写过程中,我们力求语言通俗易懂,逻辑清晰严谨,同时注重图文并茂,使内容更加生动有趣。我们衷心希望,通过这本教材的引导,能够激发更多学生对增材制造技术的兴趣与热爱,培养出更多具有创新精神和实践能力的优秀人才,共同推动增材制造技术的蓬勃发展,为制造业的转型升级贡献智慧和力量。
本书的顺利出版得益于南昌航空大学的资助。编写团队由该校增材制造工程系的教师构成,其中第5章“优化设计理论基础”内容得到了飞行器制造工程系孙士平教授的指导。同时,大连理工大学郭旭院士团队的杜宗亮副教授在拓扑优化方面给予了帮助。此外,笔者的研究生凌鹏航、胡晨曦和邝纤尘也为本书的图片和文字整理工作贡献了力量。在此,我们向所有支持和帮助本书出版的人员表示衷心的感谢。
由于编著者水平和经验有限,书中疏漏之处在所难免,敬请广大读者批评指正。最后,我们诚挚地邀请广大师生、专家学者及业界同仁对本书提出宝贵意见和建议,以便我们在将来的修订和完善中不断进步,共同推动增材制造结构设计领域不断发展。

编著者
南昌，2024年7月

第1章　绪论　/ 001
1.1　创新设计概述　/ 002
1.1.1　创新设计发展　/ 002
1.1.2　创新设计思想　/ 003
1.1.3　创新设计理论　/ 004
1.1.4　创新设计方法　/ 004
1.2　增材制造技术概述　/ 005
1.2.1　增材制造技术发展　/ 005
1.2.2　增材制造技术理论　/ 006
1.2.3　增材制造技术方法　/ 008
1.2.4　增材制造技术影响　/ 009
1.3　增材制造创新结构设计及应用　/ 010
1.3.1　增材制造创新结构设计　/ 010
1.3.2　增材制造创新结构设计应用　/ 011
思考题　/ 021

第2章　增材制造技术　/ 022
2.1　增材制造分类　/ 023
2.1.1　材料挤出（MEX） / 023
2.1.2　立体光固化（VPP） / 026
2.1.3　材料喷射（MJT） / 028
2.1.4　薄材叠层（LOM） / 030
2.1.5　粉末床熔融（PBF） / 032
2.1.6　定向能量沉积（DED） / 034
2.1.7　黏结剂喷射（BJT） / 036
2.2　增材制造的一般工艺流程　/ 037
2.2.1　3D 建模　/ 037
2.2.2　数据处理　/ 039
2.2.3　设备准备　/ 043
2.2.4　加工　/ 043
2.2.5　后处理　/ 044
思考题　/ 045

第3章　增材制造结构设计指导原则　/ 046
3.1　面向增材制造的设计导论　/ 047
3.2　增材制造技术的能力　/ 048
3.3　增材制造技术的约束因素　/ 053
3.4　增材制造设计的总体思考过程　/ 057
3.5　AM 零件设计的一般指导原则　/ 064
3.6　DfAM 的经济学解析　/ 068
3.6.1　机器成本分析　/ 069
3.6.2　材料成本　/ 070
3.6.3　后处理成本　/ 070
3.6.4　受设计影响的时间因素　/ 071
3.6.5　经济学案例研究： 金属增材制造液压歧管　/ 073
3.7　聚合物设计指南　/ 077
3.7.1　材料挤出（MEX） 工艺设计指南　/ 077
3.7.2　聚合物粉末床熔融（PBF-LB/P）的设计　/ 084
3.7.3　光固化（VPP） 的设计指南　/ 087
3.8　金属增材制造设计指南　/ 090
3.8.1　金属粉末床熔融技术设计概述　/ 090
3.8.2　激光粉末床熔合（PBF-LB/M） 的设计　/ 098
3.8.3　金属LPBF 晶格结构设计　/ 101
3.8.4　电子束粉末床熔合PBF-EB/M 设计指南　/ 107
思考题　/ 110

第4章　增材制造创新结构设计　/ 112
4.1　拓扑优化设计　/ 113
4.1.1　拓扑优化设计概念　/ 113
4.1.2　增材制造拓扑优化　/ 114
4.1.3　几种典型的拓扑优化方法　/ 119
4.1.4　考虑增材制造工艺约束的拓扑优化设计方法　/ 129
4.1.5　参数优化的关键应用与策略选择　/ 132
4.1.6　拓扑优化与创成式设计在增材制造中的应用（BC2AM） / 133
4.1.7　案例研究： 高价值非定常航空航天部件的优化　/ 135
4.1.8　完整案例　/ 140
4.2　免组装机构设计　/ 146
4.2.1　免组装机构设计概念　/ 146
4.2.2　免组装机构设计方法　/ 149
4.2.3　案例分析： 激光熔覆喷嘴设计　/ 153
4.3　增材制造仿生结构设计　/ 157
4.3.1　仿生结构设计概念　/ 157
4.3.2　仿生结构设计流程　/ 159
4.3.3　案例分析　/ 162
4.4　功能梯度材料与增材制造　/ 167
4.4.1　功能梯度材料（FGM） / 167
4.4.2　功能梯度材料的分类　/ 169
4.4.3　功能梯度材料的制造方法　/ 172
4.4.4　功能梯度材料增材制造　/ 173
4.5　创成式设计　/ 179
4.5.1　起源与发展　/ 179
4.5.2　GD 概念及方法流程　/ 182
4.5.3　案例： 定制轮毂中的创成式设计　/ 186
4.5.4　AI 驱动的创成式增材制造结构设计　/ 190
思考题　/ 191

第5章　优化设计理论基础　/ 194
5.1　优化设计的数学模型及建模基础　/ 195
5.1.1　优化设计的基本概念　/ 195
5.1.2　优化设计的数学模型　/ 196
5.1.3　优化设计问题的建模基础　/ 199
5.1.4　优化设计问题的基本解法　/ 201
5.2　优化设计的数学基础　/ 203
5.3　约束优化极值条件　/ 206
5.3.1　约束优化问题的极值条件　/ 206
5.3.2　库恩-塔克定律（K-T 条件）/ 207
5.3.3　寻优过程的数值解法与逐步逼近策略　/ 210
5.3.4　一维搜索法　/ 211
5.4　无约束问题的优化方法　/ 213
5.4.1　梯度法——最速下降法　/ 214
5.4.2　牛顿法　/ 215
5.4.3　改进牛顿法　/ 217
5.5　现代优化算法与增材制造　/ 217
5.5.1　常见现代算法简介　/ 217
5.5.2　现代优化算法在增材制造领域的应用　/ 220
5.5.3　深度学习助力增材制造梯度力学超材料逆向设计　/ 221
思考题　/ 225

第6章　增材制造优化软件介绍　/ 226
6.1　增材制造优化设计软件　/ 227
6.2　Inspire 软件介绍　/ 230
6.2.1　拓扑优化设计的一般工作流程　/ 230
6.2.2　Inspire 软件设计流程　/ 231
6.2.3　Inspire 功能介绍　/ 232
6.2.4　菜单栏和工具栏　/ 232
6.3　Inspire 实例： 汽车刹车踏板的拓扑结构优化　/ 233
思考题　/ 250

第7章　增材制造结构的无损检测评价　/ 253
7.1　无损检测技术概述　/ 254
7.2　增材制造与无损检测　/ 258
7.2.1　增材制造零件的典型缺陷　/ 258
7.2.2　增材制造带来的无损检测挑战　/ 260
7.2.3　面向增材制造的无损检测方法　/ 261
7.2.4　无损检测方法的适用性与局限性　/ 264
7.3　增材制造的合格性检定　/ 264
7.3.1　增材制造的无损检测标准　/ 264
7.3.2　增材制造的过程后检测　/ 266
7.3.3　增材制造的过程中监测　/ 269
思考题　/ 272

参考文献　/ 273