本書系統(tǒng)介紹了增材制造技術在結構設計中的革新應用，從創(chuàng)新設計與技術的融合開篇，逐步展開對增材制造技術、工藝流程及標準的細致闡述，為讀者奠定堅實的理論基礎。隨后，聚焦于增材制造結構設計的基本原則與前沿策略，如拓撲優(yōu)化、免組裝、仿生設計和創(chuàng)成式設計等，這些策略不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)設計的邊界，更為增材制造領域注入了無限創(chuàng)意與可能。書中通過豐富的實例分析，將抽象的理論知識與實際設計案例緊密結合，使讀者能夠直觀感受到增材制造技術在提升設計效率、優(yōu)化產品性能方面的巨大潛力。此外，本書還特別強調了優(yōu)化設計理論的重要性，并詳細介紹了拓撲優(yōu)化設計軟件的應用，為工程師們提供了從理論到實踐的全方位指導。同時，對質量控制與無損檢測技術的講解，也為保障增材制造產品的質量與可靠性提供了有力支持。
本書可作為高等教育相關專業(yè)的教材，也可供增材制造領域工程技術人員參考。

江五貴，教授，博士，近期主要從事先進制造技術多尺度力學方面的研究工作。受聘江西省“井岡學者”特聘教授，上海大學兼職博士生導師，擔任多個國際期刊編委。為國家自然科學基金、江西省科技廳和湖南省科技廳科技項目評估專家。獲澳大利亞教育部奮進學者獎勵（EndeavourResearchFellowship），多次獲江西省優(yōu)秀碩士論文指導教師稱號。至今主持5項國家自然科學基金項目。在增材制造領域頂刊AdditiveManufacturing等期刊發(fā)表學術論文100余篇，其中SCI收錄60余篇。

在科技日新月異的今天,增材制造技術,亦稱3D打印技術,正以前所未有的速度改變著制造業(yè)的面貌。它以獨特的“自下而上”的制造方式,突破了傳統(tǒng)減材或等材加工技術的局限,為產品設計、原型開發(fā)、個性化定制乃至批量化生產開辟了全新的路徑。特別是隨著增材制造技術作為新工科專業(yè)的興起,眾多學校紛紛開始單獨招生,然而,市場上卻缺乏一本系統(tǒng)而深入的增材制造結構設計方面的專業(yè)教材。正是基于這樣的背景與需求,我們精心編寫了這本《增材制造結構設計》,旨在為讀者搭建一座從理論到實踐的橋梁,引領他們深入探索增材制造的無限可能。
本書作為增材制造工程方向的專業(yè)圖書,力求全面而深入地介紹增材制造結構設計的基本原理、方法、應用及前沿發(fā)展。我們不僅關注技術層面的細節(jié),更重視培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和設計能力,使其能夠靈活運用增材制造技術的優(yōu)勢,設計出性能優(yōu)越、結構新穎的產品。我們注重理論與實踐的結合,通過大量實際案例和實驗數(shù)據,幫助學生直觀理解抽象概念,增強實踐能力。同時,本書還注重跨學科知識的融合,拓寬學生的視野,培養(yǎng)其綜合運用多學科知識解決問題的能力。此外,我們緊跟增材制造技術的最新發(fā)展動態(tài),介紹最新的研究成果和技術趨勢,激發(fā)學生的探索欲和創(chuàng)新精神。
在編寫過程中,我們力求語言通俗易懂,邏輯清晰嚴謹,同時注重圖文并茂,使內容更加生動有趣。我們衷心希望,通過這本教材的引導,能夠激發(fā)更多學生對增材制造技術的興趣與熱愛,培養(yǎng)出更多具有創(chuàng)新精神和實踐能力的優(yōu)秀人才,共同推動增材制造技術的蓬勃發(fā)展,為制造業(yè)的轉型升級貢獻智慧和力量。
本書的順利出版得益于南昌航空大學的資助。編寫團隊由該校增材制造工程系的教師構成,其中第5章“優(yōu)化設計理論基礎”內容得到了飛行器制造工程系孫士平教授的指導。同時,大連理工大學郭旭院士團隊的杜宗亮副教授在拓撲優(yōu)化方面給予了幫助。此外,筆者的研究生凌鵬航、胡晨曦和鄺纖塵也為本書的圖片和文字整理工作貢獻了力量。在此,我們向所有支持和幫助本書出版的人員表示衷心的感謝。
由于編著者水平和經驗有限,書中疏漏之處在所難免,敬請廣大讀者批評指正。最后,我們誠摯地邀請廣大師生、專家學者及業(yè)界同仁對本書提出寶貴意見和建議,以便我們在將來的修訂和完善中不斷進步,共同推動增材制造結構設計領域不斷發(fā)展。

編著者
南昌，2024年7月

第1章　緒論　/ 001
1.1　創(chuàng)新設計概述　/ 002
1.1.1　創(chuàng)新設計發(fā)展　/ 002
1.1.2　創(chuàng)新設計思想　/ 003
1.1.3　創(chuàng)新設計理論　/ 004
1.1.4　創(chuàng)新設計方法　/ 004
1.2　增材制造技術概述　/ 005
1.2.1　增材制造技術發(fā)展　/ 005
1.2.2　增材制造技術理論　/ 006
1.2.3　增材制造技術方法　/ 008
1.2.4　增材制造技術影響　/ 009
1.3　增材制造創(chuàng)新結構設計及應用　/ 010
1.3.1　增材制造創(chuàng)新結構設計　/ 010
1.3.2　增材制造創(chuàng)新結構設計應用　/ 011
思考題　/ 021

第2章　增材制造技術　/ 022
2.1　增材制造分類　/ 023
2.1.1　材料擠出（MEX） / 023
2.1.2　立體光固化（VPP） / 026
2.1.3　材料噴射（MJT） / 028
2.1.4　薄材疊層（LOM） / 030
2.1.5　粉末床熔融（PBF） / 032
2.1.6　定向能量沉積（DED） / 034
2.1.7　黏結劑噴射（BJT） / 036
2.2　增材制造的一般工藝流程　/ 037
2.2.1　3D 建?！? 037
2.2.2　數(shù)據處理　/ 039
2.2.3　設備準備　/ 043
2.2.4　加工　/ 043
2.2.5　后處理　/ 044
思考題　/ 045

第3章　增材制造結構設計指導原則　/ 046
3.1　面向增材制造的設計導論　/ 047
3.2　增材制造技術的能力　/ 048
3.3　增材制造技術的約束因素　/ 053
3.4　增材制造設計的總體思考過程　/ 057
3.5　AM 零件設計的一般指導原則　/ 064
3.6　DfAM 的經濟學解析　/ 068
3.6.1　機器成本分析　/ 069
3.6.2　材料成本　/ 070
3.6.3　后處理成本　/ 070
3.6.4　受設計影響的時間因素　/ 071
3.6.5　經濟學案例研究： 金屬增材制造液壓歧管　/ 073
3.7　聚合物設計指南　/ 077
3.7.1　材料擠出（MEX） 工藝設計指南　/ 077
3.7.2　聚合物粉末床熔融（PBF-LB/P）的設計　/ 084
3.7.3　光固化（VPP） 的設計指南　/ 087
3.8　金屬增材制造設計指南　/ 090
3.8.1　金屬粉末床熔融技術設計概述　/ 090
3.8.2　激光粉末床熔合（PBF-LB/M） 的設計　/ 098
3.8.3　金屬LPBF 晶格結構設計　/ 101
3.8.4　電子束粉末床熔合PBF-EB/M 設計指南　/ 107
思考題　/ 110

第4章　增材制造創(chuàng)新結構設計　/ 112
4.1　拓撲優(yōu)化設計　/ 113
4.1.1　拓撲優(yōu)化設計概念　/ 113
4.1.2　增材制造拓撲優(yōu)化　/ 114
4.1.3　幾種典型的拓撲優(yōu)化方法　/ 119
4.1.4　考慮增材制造工藝約束的拓撲優(yōu)化設計方法　/ 129
4.1.5　參數(shù)優(yōu)化的關鍵應用與策略選擇　/ 132
4.1.6　拓撲優(yōu)化與創(chuàng)成式設計在增材制造中的應用（BC2AM） / 133
4.1.7　案例研究： 高價值非定常航空航天部件的優(yōu)化　/ 135
4.1.8　完整案例　/ 140
4.2　免組裝機構設計　/ 146
4.2.1　免組裝機構設計概念　/ 146
4.2.2　免組裝機構設計方法　/ 149
4.2.3　案例分析： 激光熔覆噴嘴設計　/ 153
4.3　增材制造仿生結構設計　/ 157
4.3.1　仿生結構設計概念　/ 157
4.3.2　仿生結構設計流程　/ 159
4.3.3　案例分析　/ 162
4.4　功能梯度材料與增材制造　/ 167
4.4.1　功能梯度材料（FGM） / 167
4.4.2　功能梯度材料的分類　/ 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　創(chuàng)成式設計　/ 179
4.5.1　起源與發(fā)展　/ 179
4.5.2　GD 概念及方法流程　/ 182
4.5.3　案例： 定制輪轂中的創(chuàng)成式設計　/ 186
4.5.4　AI 驅動的創(chuàng)成式增材制造結構設計　/ 190
思考題　/ 191

第5章　優(yōu)化設計理論基礎　/ 194
5.1　優(yōu)化設計的數(shù)學模型及建模基礎　/ 195
5.1.1　優(yōu)化設計的基本概念　/ 195
5.1.2　優(yōu)化設計的數(shù)學模型　/ 196
5.1.3　優(yōu)化設計問題的建?；A　/ 199
5.1.4　優(yōu)化設計問題的基本解法　/ 201
5.2　優(yōu)化設計的數(shù)學基礎　/ 203
5.3　約束優(yōu)化極值條件　/ 206
5.3.1　約束優(yōu)化問題的極值條件　/ 206
5.3.2　庫恩-塔克定律（K-T 條件）/ 207
5.3.3　尋優(yōu)過程的數(shù)值解法與逐步逼近策略　/ 210
5.3.4　一維搜索法　/ 211
5.4　無約束問題的優(yōu)化方法　/ 213
5.4.1　梯度法——最速下降法　/ 214
5.4.2　牛頓法　/ 215
5.4.3　改進牛頓法　/ 217
5.5　現(xiàn)代優(yōu)化算法與增材制造　/ 217
5.5.1　常見現(xiàn)代算法簡介　/ 217
5.5.2　現(xiàn)代優(yōu)化算法在增材制造領域的應用　/ 220
5.5.3　深度學習助力增材制造梯度力學超材料逆向設計　/ 221
思考題　/ 225

第6章　增材制造優(yōu)化軟件介紹　/ 226
6.1　增材制造優(yōu)化設計軟件　/ 227
6.2　Inspire 軟件介紹　/ 230
6.2.1　拓撲優(yōu)化設計的一般工作流程　/ 230
6.2.2　Inspire 軟件設計流程　/ 231
6.2.3　Inspire 功能介紹　/ 232
6.2.4　菜單欄和工具欄　/ 232
6.3　Inspire 實例： 汽車剎車踏板的拓撲結構優(yōu)化　/ 233
思考題　/ 250

第7章　增材制造結構的無損檢測評價　/ 253
7.1　無損檢測技術概述　/ 254
7.2　增材制造與無損檢測　/ 258
7.2.1　增材制造零件的典型缺陷　/ 258
7.2.2　增材制造帶來的無損檢測挑戰(zhàn)　/ 260
7.2.3　面向增材制造的無損檢測方法　/ 261
7.2.4　無損檢測方法的適用性與局限性　/ 264
7.3　增材制造的合格性檢定　/ 264
7.3.1　增材制造的無損檢測標準　/ 264
7.3.2　增材制造的過程后檢測　/ 266
7.3.3　增材制造的過程中監(jiān)測　/ 269
思考題　/ 272

參考文獻　/ 273