AM 设计：CAD 工具、模拟、体素和 AM 设计的未来

2025 年 7 月 23 日 | 阅读时间：6 分钟

在底特律举行的 Rapid + TCT 展会的特别现场录音中，Additive Snack Podcast 邀请到了富有洞察力的 Andreas Vlahinos 博士，他是增材制造（AM）领域真正的设计大师。弗拉希诺斯博士拥有悠久的职业生涯，功勋卓著，他分享了自己对增材制造（DfAM）设计演变的看法、他所处理的令人兴奋的项目，以及继续推动其创新工作的激情。

增材制造设计的演变：从追赶到模拟驱动创新

Vlahinos 博士回忆说："参数化 CAD 系统曾使工程师能够设计出传统制造工艺无法制造的内部复杂部件。后来，AM 粉末、机器和扫描技术的进步超过了设计能力，这意味着我们能够制造出无法设计的零件。这刺激了 CAD 的发展，新的公司和工具不断涌现，使复杂几何形状（如网格结构，包括陀螺）的设计成为可能。

Vlahinos 博士认为，过去三年中真正改变游戏规则的是 "模拟驱动设计方面的巨大进步"。现在，可以在实体零件上运行有限元分析 (FEA)，存储结果，然后使用这些数据，例如，根据残余应力或 von Mises 应力改变陀螺的厚度。

一个关键的障碍是传统的边界表示 CAD 几何图形与先进的 DfAM 工具生成的基于体素的几何图形之间的互操作性。最近，仿真技术发生了转变，采用了基于体素的方法，从而能够在设计环境中进行实时仿真。设计人员现在可以在设计过程中看到仿真结果，从而可以根据应力点立即进行修改。

缩小知识差距：工具与培训

尽管取得了这些进步，劳动力却往往落在后面。Vlahinos 博士将这归咎于几个因素：每次软件发布后技术改进的速度都很快；学术界没有跟上这些新工具的步伐；以及新课程认证的官僚程序。其结果是，工程师在毕业时并不了解这些关键的 DfAM 能力。

为了解决这个问题，业界越来越多地转向内部即时培训。去年，弗拉希诺斯博士亲自为洛克希德-马丁公司培训了 480 名工程师，其中许多人都不知道现有软件中已有先进的 DfAM 工具。

他个人使用的工具包括PTC Creo（集成了基于体素的设计和Creo Simulation Live ）和nTopology（现在的 nTop），前者具有强大的隐式建模功能，可以创建巨大的晶格结构和独特的操作，如将陀螺与实体 CAD 相结合或为双壁结构创建壳陀螺。他指出，nTop 虽然功能强大，但在可用性和互操作性方面仍面临挑战。

影响人类生活：股骨植入项目

当被问及他最近最令人兴奋的项目时，弗拉希诺斯博士强调了大约两年前的一个影响深远的医疗案例。一位股骨患有癌症的年轻女士需要在一周内植入假体，以避免截肢。

这包括快速学习处理 CT 扫描的DICOM 数据以生成 STL、将其转换为实体模型、虚拟切除癌骨、设计带有集成托架的植入体、整合用于骨结合的径向晶格结构，同时确保为手术钉留出通道。

该打印被成功植入，患者在两周内就能行走自如。虽然这项 "爱的劳动 "比任何有偿项目都更有意义，但弗拉希诺斯博士指出，医疗领域还很保守，他希望像铰链植入物这样的 DfAM 创新技术能够更加开放。

热交换器设计流程：深入探讨

随后，Vlahinos 博士详细介绍了他设计增材制造热交换器的缜密过程：

可行性（"我能否，我是否应该"）：能否在信封内打印？材料可用吗？我们有打印机吗？然后，至关重要的是，与传统方法（如管壳式或钎焊板）相比，它是否具有经济意义？这需要进行总成本分析，考虑疲劳寿命和维护等因素。
绩效目标和数字图书馆：需要什么样的性能？弗拉希诺斯博士的目标是将现有解决方案的性能至少提高一倍。我们的目标是创建一个数字孪生系统--将设计模型和打印模型（包括方向、支撑、加工余量）存储在 PLM 系统中，以便按需打印。
初始设计和 CFD：确定入口和出口，定义一个大的边界体积，并在此体积上运行 CFD 分析，同时考虑基本的入口/出口温度和压力。经常使用的 TPMS 结构本身具有较低的压降。
流线引导成型：根据 CFD 得出的流线指导材料的放置，划分出再循环区域并确定基本的热交换器体积。
共轭传热和效率：确定固体体积后，运行共轭传热分析以确定整个过程中的温度和压力，并计算热交换器的效率。
设计探索和优化：如果效率较低，则需要探索单胞尺寸和晶格类型等参数。采用实验设计 (DOE) 方法，运行多个配置。将结果可视化（如平行图、帕累托前沿），以确定最佳设计。
可制造性与协作：一旦将优化设计提交给制造部门，就需要解决支撑结构拆除、加工余量和后处理基准等限制因素。制造方面的考虑因素，如最小可印刷壁厚，会反馈到 DOE 范围内。
制造工艺模拟：通过分析面积与高度的关系图，可以发现可能引起问题的截面突变，从而对设计进行修改，如波纹板或斜面特征。

激励下一代（和当代）

对于刚刚接触 AM 或在 AM 方面遇到困难的设计师，Vlahinos 博士建议，教育的目的应该是启发，而不仅仅是提供信息。

他在 DfAM 课程中首先展示了大自然的精彩设计--树木如何利用拓扑优化，蝴蝶翅膀如何利用薄结构实现长跨度。

然后，他提供了创新的 "种子"，比如通过设计内部空腔、添加几滴水并密封，将热管嵌入电子板的底盘中。他认为，最困难的部分是克服 150 年来减法制造设计所根深蒂固的思维模式。

安德烈亚斯-弗拉希诺斯博士的见解生动地描绘了一个快速发展的领域，在这个领域中，先进的工具、严谨的流程，以及最重要的是，合作的心态，释放了 AM 的全部潜力。

连接并了解更多信息

了解更多 Andreas Vlahinos 博士的信息：

访问先进工程解决方案（AES）网站，了解他的工作。
在领英上与Vlahinos博士建立联系。
在谷歌学术上探索他的出版物。
收听《Additive Snack》播客完整剧集。