影响力与年俱增，第三届“天工杯”引领中国增材制造结构优化潮流

2019年10月18日，第三届“天工杯”结构优化设计论坛暨增材制造大赛全国总决赛在北京成功举行。南极熊作为合作媒体，从第一届，到第二届，再到现在的第三届，都到了现场进行报道支持，感受到了“天工杯”业界影响力的与年俱增：结构优化设计论坛内容干货满满，非常前沿；大赛参加队伍数量（135支队伍报名）和质量都创新高。

△视频：第三届“天工杯”现场花絮




结构优化设计论坛专家云集，演讲内容前沿创新


△本次结构优化设计论坛，由国内金属3D打印龙头厂商鑫精合总经理李广生主持，并介绍了大赛的主要情况。


△航天三院三部副主任/总师刘鹏对大会做了致辞

刘鹏提到，“航天科工三院三部是我国飞航技术的领军人，自成立以来就秉承国家利益高于一切的核心价值观，肩负着科技强军和航天报国的神圣使命，始终坚持开拓创新的发展战略基点，强力推动专业能力进步和提升，深入推动自身专业与行业的深度融合，实现在技术创新高地的互利共赢，并不断推动飞航产品的创新和换代升级。航天三院在增材制造应用的型号之多、产值之大，基本上是整个航空航天产业里比较靠前的。结构优化是实现飞行器先进结构轻量化设计最有效最高效的手段。
先进的创新结构形式，需要先进的结构优化技术作为支撑，更需要先进的生态制造技术来助力。设计师们一系列的创新工作，带来了新的方法，新的结构和新的工艺。这些智慧的火花需要碰撞，才能闪耀出更加耀眼的光芒。此次航天三院三部联合各相关高校企业单位举办第三届天工杯结构优化设计论坛及增材制造大赛，其目的就是为了培养激励创新的生态环境，为广大结构优化设计和制造人才提供激发灵感、启迪智慧展示能力和技术交流的平台。这对于促进创新的技术的推动应用和融合非常的重要。”

• 装备结构研制中的3D打印技术应用
  

△航天二院二部李霏

航天二院二部李霏发表了《装备结构研制中的3D打印技术应用》的演讲。他从航天产品特征与发展方向出发，简要介绍二院二部在目前产品研制工作中对于3D打印技术应用的基本情况，针对未来发展方向，提出对于3D打印技术发展的应用需求。


李霏在演讲中提到，新一代航天产品性能提升对于结构系统轻量化提出更高要求，需要提高整个结构的比强度和比刚度；微小型化和集成化的发展方向，对复杂结构的一体化设计和制造提出迫切需求；多功能化和智能化需要结构功能一体化。借助3D打印技术，不但可以满足这些要求，而且研制和生产周期大幅缩短。

• 多材料结构拓扑优化设计——工艺约束、界面强度与不确定性
  

△大连理工大学亢战教授

大连理工大学亢战教授发表了《多材料结构拓扑优化设计——工艺约束、界面强度与不确定性》的演讲，讲述了多材料结构拓扑优化设计的概念和方法，多尺度并发拓扑优化和超材料设计，多材料与多组件结构拓扑优化模型、多材料界面不确定性下的鲁棒性拓扑优化、以及多单胞材料与结构一体化设计、制备工艺约束的拓扑优化等内容。

亢战教授提到，“可以利用先进的材料（包括高强度合金、复合材料、多孔材料、点阵材料）、工艺（摩擦搅拌焊、金属发泡、增材制造、热成型）、设计（精细分析、多功能集成、一体化设计、可展开结构、结构优化）技术，以更少的重量实现相同或更高的结构性能，实现结构轻量化。多材料结构拓展了设计空间，可赋予结构多种功能，以实现结构与特定功能的一体化。增材制造为实现多材料结构提供了一种有潜力的制备技术。”

• 飞行器仿生变体结构优化设计
  

△西北工业大学助理教授张亚辉

西北工业大学助理教授张亚辉发表了《飞行器仿生变体结构优化设计》的演讲，讲述了面向航空航天结构智能化、集成化、轻量化的发展需求，通过智能材料与结构优化技术的结合，解决材料-结构-驱动合理匹配问题，实现刚柔相济飞行器仿生变体结构优化设计。


张亚辉提到，通过使用大量的点阵结构，使用驱动结构带动点阵结构，多点阵机构的叠加，使整体的机翼发生变形。这种点阵结构的制造，就只能够使用3D打印技术去实现了。自己课题组去尝试做一些智能材料的3D打印，例如3D打印形状记忆合金，在大尺寸零件的状态下，变形效应很好；但做成小点阵微结构的情况下，形状记忆效应超弹性就没有了，希望可以和对这方面感兴趣的人进行交流。

• 持续改善——提升增材制造质量之路
  

△鑫精合首席战略官叶洎沅

鑫精合首席战略官叶洎沅发布了《持续改善——提升增材制造质量之路》的演讲。叶洎沅分析金属材料增材制造工艺的常见缺陷，对设计、工艺和设备等方面进行优化，提升增材制造产品的质量，满足性能要求，并浅析增材制造工艺的未来发展趋势。

叶洎沅指出，设计成本只占产品成本的5%，但设计师却影响着70%的产品成本和制程，所以持续改善应该从研发设计就开始了；增材制造的价值体系在于实现经过优化设计的产品；提升增材制造的产品质量需要产品设计、工艺设计、材料、设备研发人员的紧密合作；军工产品的设计图纸标准应当进行变革，各级领导应当重视起来；增材制造技术在快速发展中，过程设备也在快速进步，希望用户、服务商、设备商紧密合作，真正打破对进口设备的依赖。

△南极熊在现场看到的鑫精合金属3D打印件

• 仿真助力增材制造设计
  

△澳汰尔工程软件有限公司产品经理 徐成斌发表了《仿真助力增材制造设计》的演讲。如何通过借助Altair仿真工具进行面向增材制造的设计方法，内容包含拓扑优化、点阵设计验证和打印工艺仿真。

第三届“天工杯”结构优化增材制造大赛全国总决赛

△参赛作品：3D打印出来的铰链力臂结构

△大赛现场16位评委和18支决赛队伍

下午，18支队伍进行拓扑优化的决赛，现场PK经过拓扑优化设计而3D打印出来的树脂结构模型的承受载荷大小。一共有16位专家到达现场当评委。

△参赛者讲述自己团队的结构优化设计报告

南极熊现场看到，某机构铰链力臂通过 4 个连接螺钉固定在基体上，悬臂受集中载荷，通过铰链力臂传力至基体结构,优化结构和传力路径，可以更高效的传递载荷和减轻结构重量。 其中限定材料体积（不高于40mL），优化结构使其承受载荷最大。铰链力臂3D打印结构通过 4 个HB1-202 M6x14 螺钉和 4 个HB1-521 6x10x0.8 平垫与固定工装对接，悬臂通过Φ6.5 通孔与加载工装穿销连接，然后加载试验，加载方向竖直向上，直至结构破坏，最后根据最大载荷数据排名。

“天工杯”决赛获奖结果

△获奖队伍

经过激烈的现场比赛和评比，最后的比赛结果让南极熊难以想到：

• 皇家墨尔本理工大学创新结构和材料中心 CISM的严鑫团队，北京优拓增材科技有限公司的马胜利团队，加载成绩都超过1900N，获得大赛一等奖；
• 航空工业第一飞机设计研究院的张翠娥团队、大连理工大学的李浩团队，加载成绩都超过1800N，获得大赛二等奖；
• 航空工业第一飞机设计研究院的党蒲妮团队、航天科工增材制造技术创新中心的吴冬冬团队、贵州航天风华精密设备有限公司的叶建国团队、航天科工集团三院三部的易斯男团队，加载成绩都超过1200N，获得大赛三等奖。
• 航空工业第一飞机设计研究院的赵秀峰团队、航天科工集团三院三部李乃田团队、中国兵器集团湖南云箭有限公司/安世中德咨询（北京）有限公司的寇晓东团队，获得大赛优秀创意奖。
  

△南极熊采访第三届“天工杯”一等奖获得者团队代表

获得了一等奖的皇家墨尔本理工大学创新结构和材料中心 CISM团队代表严鑫，在采访中向南极熊表示，“可以获得本次大赛的一等奖，我们非常激动和兴奋。其实其他团队也做得很好。我们是谢亿民院士领导的研究团队，使用了自主研发的Ameba软件。这是一个面向设计师的专业的拓扑优化设计工具。我们根据独有的“双向渐进结构优化法（BESO）”，研发了基于该算法的拓扑优化工具，求解时设计区域会像变形虫那样进化成各种形状，最终获得传力合理且仿生的形态。”

“天工杯”——中国增材制造结构优化的交流平台

本届“天工杯”的主办单位是中国航天科工集团有限公司；承办单位包括航天科工集团第三研究院、航天科工集团第三研究院第三总体设计部、航天科工集团第三研究院三〇一所、国际仿真与多学科优化设计协会（ASMDO）、航天科工集团增材制造技术创新中心、鑫精合激光科技发展（北京）有限公司、飞而康快速制造科技有限责任公司；协办单位是澳汰尔工程软件（上海）有限公司。他们都是国内涉足增材制造结构优化的相关单位，对此领域有着一定的专业积累和应用。

△南极熊采访第三届“天工杯”的承办单位之一飞而康快速制造科技有限责任公司的总经理余海

△飞而康3D打印的经过了结构优化的金属件

活动当天，南极熊对飞而康的总经理余海进行了采访。余海向南极熊表示，“飞而康是中国金属3D打印领域的老牌厂商，有着从金属粉末制备-金属3D打印工艺-金属3D打印适航认证的完整链条，对结构优化设计有着自己的应用积累。为什么参与承办这一届天工杯呢？我们有责任有义务参与把市场给做大，引导客户，引导同行，还有设计师一起来把这个行业做好。我们通过承办这种活动，能够提升行业结构设计拓朴优化的能力，然后还能够拓展开发出更多更好的设计团队和人员，这样话可以促进我们国家的增材制造的发展和应用。特别在复杂结构的零件加工中，3D打印有很大优势，能够通过设计端的改变，能够改善整个零件的力学性能，也能够减轻它的重量，也能够达到一个最高的综合性价比。”

会后，航天三院三部副主任/总师刘鹏表示，“航天三院三部作为我们国家飞航技术的领军者，我们有责任建立这样一个大家交流的平台，通过天工杯，把我们国家产学研用整个链条进行充分的交流和打通。我们从需求端-设计-仿真验证-加工制造，进行全产业的交流，我们希望能够推动和促进中国3D打印行业的发展，也希望平台未来能够成为专家学者和研究人员助力的一个载体。”



南极熊从第一届开始，连续关注了三届“天工杯”，一步步见证了它成为增材制造结构优化领域最具影响力的行业性大赛。祝愿“天工杯”助力中国增材制造行业，不断造出“天工之物”。

有中国航天科工作为主办单位，还有航天科工集团第三研究院第三总体设计部、航天科工集团第三研究院三〇一所、国际仿真与多学科优化设计协会（ASMDO）、航天科工集团增材制造技术创新中心、鑫精合激光科技发展（北京）有限公司、飞而康快速制造科技有限责任公司等作为承办单位，“天工杯”会越来越好。

给所有参赛队伍点赞，棒棒哒

18支第三届天工杯决赛名单：

航天科技集团七院七部        文世珍        团队；
               
               
中国兵器集团湖南云箭有限公司/安世中德咨询（北京）有限公司        寇晓东        团队；
               
               
航空工业第一飞机设计研究院        党蒲妮        团队；
               
               
航天科技集团七院七部/大连理工大学        房晓龙        团队；
               
               
航空工业第一飞机设计研究院        周正光        团队；
               
               
航天科工集团三院三部        易斯男        团队；
               
               
航空工业第一飞机设计研究院        赵秀峰        团队；
               
               
航天科技集团七院七部        周文博        团队；
               
               
航空工业第一飞机设计研究院        张翠娥        团队；
               
               
贵州航天风华精密设备有限公司        叶建国        团队；
               
               
航天科工集团三院三部        陈乐平        团队；
               
               
大连理工大学        李浩        团队；
               
               
航天科工集团三院三部        李乃田        团队；
               
               
航空工业第一飞机设计研究院        杜鹏良        团队；
               
               
皇家墨尔本理工大学创新结构和材料中心 CISM        严鑫        团队；
               
               
航空工业第一飞机设计研究院        高小青        团队；
               
               
航天科工增材制造技术创新中心        吴冬冬        团队；
               
               
北京优拓增材科技有限公司        马胜利        团队；