黄林琪，陈显扬，陈韵律，安芬菊

（广东海洋大学机械与动力工程学院， 广东湛江 524088）

0 引言

3D打印技术和轻量化技术等先进技术的日益快速发展以及这两项技术在机械工业领域的深入研究与应用，促进了轻量化3D 打印机械零件的研究[1]。由于传统的机械零件受限制于设计生产方式不能做到效能最优，现在可以通过拓扑优化结合3D打印的方式取得零件更优化的材料分布，以较少的材料实现更佳的性能[2]。目前基于3D打印的轻量化方法主要包括2类：一类是根据切片轮廓内部扫描路径实现轻量化；另一类是对模型进行轻量化建模[3]。前者相当于将模型内部挖空、内部网格化结构的一种方法[4]。目前研究表明，3D打印蜂窝状结构的填充具有优良的抗压、抗冲能力和吸能性能以及轻量化特性[5]。但采用此种方法轻量化后的模型仍存在一些难题[6]，例如是否违背现实的物理规律问题，在不同力的作用下能否保持原来的稳定状态问题。后者轻量化建模通常基于模型的有限元分析，能够较好地规避上述的难题[7]。但此方法也存在着拓扑优化后模型结构复杂，导致打印时突出或悬空部分需要的支撑多且复杂，打印完成后支撑不易拆卸的缺陷[8]。为了解决以上存在的问题，利用拓扑优化和3D打印相结合的技术，进行基于3D打印的机械零件轻量化设计与制作工艺的研究非常有必要。

1 机械零件轻量化设计

机械零件轻量化设计选用概念设计工具Altair Inspire，该软件是一款拓扑优化及快速仿真的设计工具，可用于结构优化、有限元分析、运动分析和增材制造分析，研究结构高效型的概念设计[9]，有助于生产实际中大大降低成本、减少开发时间和物料消耗并减轻产品质量。……