導讀：結構優化設計是一個經典又傳統的問題，從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。

　　作為力學領域的一個重要分支，結構優化設計以力學為基礎，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于一體，一般是指為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（如體積約束、重量約束、幾何約束等），對整體或局部結構進行的優化設計與改進。

　　通常情況下，結構優化（Structural Optimization）按照問題的難度和對結構的改變程度，可以分為三個不同的層次，分別為：

　　● 尺寸優化（Size Optimization）

　　● 形狀優化（Shape Optimization）

　　● 拓撲優化（Topology Optimization）

　　尺寸優化：優化結構各個部件的尺寸參數，如桿的粗細，殼的厚度，構件的截面尺寸等等。

　　△尺寸優化

　　形狀優化：一般是指在保持結構拓撲連接關系不變的前提條件下，將構件的截面形狀，節點的空間位置或者連續體的形狀等作為設計變量，即通過修改模型的形狀與邊界，來改變整體結構的幾何特征。

　　△形狀優化

　　拓撲優化：拓撲優化的概念來自于拓撲學，一般是指在某種給定的優化準則和需要滿足的約束條件下，在模型需要優化的區域即設計域內確定實體域一般指材料的數量及布局，例如確定結構中各個構件（如梁、柱、墻等）的布局及其節點的空間位置與連接關系。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設計域內的空間分布，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。

　　△拓撲優化

　　從尺寸優化到形狀優化再到拓撲優化，問題的復雜度越來越高，難度也變得越來越大，因此它們在工程應用中的成熟度依次降低。然而在實際設計中，這三個優化層次的使用順序恰好相反，分別對應于三個不同的設計階段。

　　一般整個結構的拓撲結構要在概念設計階段初步決定，這也是整個設計過程中難度最大的階段，拓撲結構能夠體現設計者的創意、水平，能夠反映結構的構造。確定了拓撲結構之后，便進入基本設計階段，即進一步優化各個部件的形狀，最后再進入詳細設計階段，確定每一個部件的尺寸大小。整個設計過程遵循從整體到局部的設計理念，即先從宏觀上設計整體結構，再從局部改進構造、優化尺寸。

　　當然，一個優秀的結構一般很難通過這個過程就能一次確定下來，在實際設計時這個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，如何在結構優化設計過程中考慮增材制造工藝約束，實現優化結果的快速直接制備，也是一個非常重要的關注點。增材制造并非完全“自由”制造，仍然存在獨特的制造約束，主要包括以下三類：結構最大/最小尺寸、支撐結構、制造缺陷（表面粗糙度、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臺決定，過大的結構應當設計工藝分離面和連接形式。最小尺寸特征由打印設備的精度、分辨率、光斑大小等參數決定，設計師應當避免無法制造的細桿、小孔等結構。

　　△增材制造結構的連接形式和測試樣件

　　△增材制造結構的最小尺寸約束

　　2、支撐結構設計

　　增材制造過程中，往往需要在懸垂結構下方添加支撐結構，以防止制造過程中結構坍塌。但是支撐結構不僅僅會帶來材料的浪費、打印時間的增加，而且在后處理過程中帶來工藝難度增加，影響結構最終表面精度。因此設計自支撐結構，在優化過程中自動識別特征結構，避免大懸挑結構。

　　筆者分享一個設計小技巧：當支撐面無法避免時，那么就把表面質量要求最高的面設計為支撐面，這與支撐面表面質量最差的常識正好相反。因為增材制造的零件一般無法滿足直接裝配的要求，裝配面等質量要求高的面需要再次機械加工，這樣做的好處是去支撐的后處理過程正好與機械加工同時進行。

　　3、制造缺陷

　　增材制造技術雖得到了飛速的發展，然而整體來看該制造工藝仍處于技術發展初期，產品往往存在一些缺陷，例如材料各向異性、表面粗糙、內部孔洞、材料性能不穩定等問題。設計者應當考慮制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非關鍵區域等。

　　總之，面向增材制造的設計（Design for Additive Manufacturing，簡稱DfAM或增材設計）就是從產品功能出發，同時兼顧增材制造工藝的可行性的設計方法，它是在關注增材制造工藝的商業化應用過程中實現對零件、組件甚至系統的重新設計。在此基礎上，安世亞太提出DfAM設計方法，就是基于增材思維的先進設計與智能制造整體解決方案，是新一代造物革命下的全新設計范式。

　　近期，由安世亞太翻譯出版的《增材制造設計（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媒體采訪時，談到加速增材制造技術大規模商用化的關鍵，是學習增材設計；為了服務廣大增材設計和制造從業人員，縮短學習曲線，避免重復發明輪子，所以撰寫這本實用指南。

　　本書就如何面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富的案例，包括增材制造導論、增材制造工藝、增材設計戰略、增材設計分析優化工具、零件合并準則、增材工藝工夾具設計準則、面向聚合物和金屬的增材設計、后處理、以及增材制造的健康安全和零件認證、增材制造的未來等章節。作為全球第一本的增材設計專著，本書中譯本將為我國增材產業從業者、工業產品研發設計、工藝和制造人員，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。