魏猛

關(guān)鍵詞：混合增減制造 拓?fù)鋬?yōu)化 多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化

1概述

1.1拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)原理

作為一種高效的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，拓?fù)鋬?yōu)化的目的是在給定的設(shè)計域中滿足一組約束條件的情況下，通過合理的材料分配實現(xiàn)最小化目標(biāo)函數(shù)。在過去的30年里，拓?fù)鋬?yōu)化方法經(jīng)歷了高速的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代末產(chǎn)生后，由于其在工業(yè)應(yīng)用中的獨特的設(shè)計自由度和固有的數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)，拓?fù)鋬?yōu)化方法引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大熱情。

1.2拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)發(fā)展

目前，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已經(jīng)提出了許多方法，它們主要分為兩種方法：基于材料的方法和基于邊界的方法。

基于材料的方法主要包括固體各向同性材料懲罰（SIMP）方法、進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化（ESO）方法和修正的雙向進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化（BESO）方法。這些方法的設(shè)計變量是賦予了密度變量的體素，通過梯度信息來更新設(shè)計變量，達(dá)到最小化目標(biāo)函數(shù)的目的。

基于邊界的方法主要是水平集方法，其主要思想是通過水平集函數(shù)隱式表示結(jié)構(gòu)邊界，當(dāng)水平集函數(shù)變化時，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程便被追蹤下來。

其余的方法還有特征驅(qū)動優(yōu)化方法、相場方法以及基于拓?fù)鋵?dǎo)數(shù)的方法。

2混合制造概述

2.1混合制造方法原理

作為一種前沿制造技術(shù)，增材制造可以有效解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多材料零件的制造問題。與過去的減材制造不同，增材制造是一項日新月異的技術(shù)，有潛力轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥淼闹悄苤圃旆椒?。增材制造工藝將三維加工轉(zhuǎn)變?yōu)槎S平面加工，將材料逐層堆疊，這在相當(dāng)程度上解除了待加工零件的幾何復(fù)雜性約束。不難理解，在增材制造中，加工效率和加工成本對幾何復(fù)雜性沒有直接的關(guān)聯(lián)。因此，增材制造可以得心應(yīng)手地制造來自拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的自由形式零件。

最近混合增減制造（HASM）在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界引起了廣泛的研究和實踐?；旌显鰷p制造的初衷是利用增材制造和減材制造的互補優(yōu)勢，形成復(fù)雜零件的卓越制造方法，其中增材制造生產(chǎn)接近形狀的原始零件，而減材制造細(xì)化原始零件，以達(dá)到要求的尺寸精度和表面光潔度。提高增材制造部件的表面粗糙度的另一種方法是在逐層加工工藝中按次序使用增材制造和減材制造。這些方法都使我們對混合增減材制造有了初步的了解。

2.2混合增減制造技術(shù)現(xiàn)狀

在具體工藝方面，混合增減制造的工藝開發(fā)集中于混合激光沉積和五軸數(shù)控銑削，用于復(fù)雜零件的精密制造和氣體保護金屬極電弧焊結(jié)合三軸銑床制造高表面質(zhì)量零件。此外，選擇性激光熔化（SIM）和磨削也被合作用于制造超高表面質(zhì)量零件，選擇性激光熔覆（SLC）與銑削結(jié)合用于模具制造。最近，等離子沉積與銑削結(jié)合用于扭轉(zhuǎn)葉片，而不會造成材料損壞。由于技術(shù)成熟和成形精度高，選擇性激光熔覆技術(shù)在商用混合增減制造設(shè)備中更受青睞。

3混合增減制造與拓?fù)鋬?yōu)化

3.1混合增減制造與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合

在過去的幾十年里，有許多面向增材制造的拓?fù)鋬?yōu)化的出版物。如果工業(yè)實踐需要成形精度和表面質(zhì)量，該組合將轉(zhuǎn)換為面向混合增減制造的拓?fù)鋬?yōu)化，其中拓?fù)鋬?yōu)化生成自由形式設(shè)計，混合增減制造在成形精度和表面質(zhì)量的條件下加工出復(fù)雜部件。

在拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域，設(shè)計的可制造性一直是一個迫切的需求，因為即使是混合制造，由拓?fù)鋬?yōu)化產(chǎn)生的自由形式結(jié)構(gòu)也經(jīng)常是不可制造的設(shè)計結(jié)果。在過去的幾年中，有關(guān)面向混合制造的拓?fù)鋬?yōu)化的相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表，這些將在下文進行簡要的介紹。

3.2面向混合增減制造的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)發(fā)展

面向混合制造的拓?fù)鋬?yōu)化的技術(shù)可概括為三種類型：a.在增材制造或減材制造約束下的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù);b.在混合增減制造約束下的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù);c.考慮成本的近似物理量的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)。

增材制造約束下的拓?fù)鋬?yōu)化包括自支撐設(shè)計、材料各向異性和多孔填充設(shè)計。減材制造約束下的拓?fù)鋬?yōu)化的主要類別包括長度尺度控制和基于幾何特征的拓?fù)鋬?yōu)化。

隨著約束的增加，混合增減制造約束下的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)近年來有了新的發(fā)展。Liu等將設(shè)計零件的邊界段分為兩類：一類是通過鑄造-SIMP方法自由更新的自由形式邊界段，另一類是通過特征擬合算法由加工特征組成的保形邊界段，它抑制了自由形式的演化。HAN等采用雙向漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化（BESO）方法，在每一個拓?fù)鋬?yōu)化迭代步驟中考慮元素級別的增材制造和減材制造約束。除此之外，Liu等將結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計與工藝規(guī)劃相結(jié)合，生成最佳混合增減再制造策略，其中自支撐約束使用逐層水平集函數(shù)表示，材料各向異性分布通過混合沉積路徑實現(xiàn)。

上述兩種方法更傾向于使設(shè)計結(jié)果易制造，而第三種方法近似表示制造成本，并更深層次地考慮可制造性。除零件體積外，支撐結(jié)構(gòu)體積和零件表面積是影響混合增減制造工藝成本的主要物理量，它們分別對增材制造成本和減材制造成本產(chǎn)生影響。Ryan等在基于密度的方法中直接最小化支撐結(jié)構(gòu)體積，不需要額外的設(shè)計變量。

3.3未來趨勢

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的未來發(fā)展趨勢如下：

a.應(yīng)在面向混合增減制造的拓?fù)鋬?yōu)化中引入其他與增材制造相關(guān)的約束，如支撐結(jié)構(gòu)的懸垂長度和移除限制，方便綜合考慮加法制造的可制造性。

b.權(quán)衡關(guān)系不健全。現(xiàn)有的面向混合增減制造方法的拓?fù)鋬?yōu)化主要側(cè)重于最小柔度，而沒有考慮更多的材料性能的權(quán)衡關(guān)系。

c.應(yīng)考慮制造成本、建造時間等實際AM因素作為優(yōu)化目標(biāo)，以獲得更合理的結(jié)果。

d.面向多目標(biāo)混合增減制造最具挑戰(zhàn)性的問題是計算成本。即使對于一個獨立的主題，計算效率也差強人意，更不用說多個主題的整合。

4結(jié)語

本文綜述了混合增減制造，面向混合增減制造的拓?fù)鋬?yōu)化以及面向混合增減制造的拓?fù)鋬?yōu)化中的權(quán)衡關(guān)系。盡管缺乏充分的討論，但學(xué)者們逐漸認(rèn)識到面向混合增減制造系統(tǒng)考慮多個優(yōu)化目標(biāo)的重要性。