柔性机构在结构上不需要过多的装配,可以为精密仪器提供准确的位置,因此在光学工程、精密机械、先进制造等领域有着广泛的应用。拓扑优化方法可以为柔性机构提供创新构型设计,使用该方法所设计的结构一般具有较为复杂的几何构型,而3D打印技术的出现为复杂结构件提供了快捷有效的制造方式。本文为进行三维柔性机构的应用及制造研究,将使用拓扑优化方法实现显微镜三维柔性定位平台的设计,基于熔融沉积(FDM)增材制造技术进行优化结果的制造。对于三维柔性机构的拓扑优化设计存在较大的难度,同时运用拓扑优化方法设计的柔性机构的柔度难以直接进行使用。因此本文首先将从平面二维柔性机构拓扑优化方法出发,以标准柔性夹钳算例为例,为实现输出位移的较大化,讨论了如何兼顾柔性机构的可制造性与结构的变形能力。然后基于二维柔性机构拓扑优化算法开发了三维下的优化算法,使用三维夹钳算例验证了算法的可靠性,并进行了三维夹钳的3D打印制造。最后实现了柔性定位平台的拓扑优化设计及3D打印制造。本文的主要的工作如下:(1)以平面二维柔性夹钳为例,采用带有惩罚项的各项同性材料(SIMP)插值模型,以互应变能最大化为目标,体积约束为约束条件建立拓扑优化模型。敏度分析中讨论了两种载荷工况,并采用优化准则OC算法。使用不同的弹簧刚度系数对柔性夹钳进行拓扑优化,优化过程使用COMSOL有限元数值计算软件二次开发算法,最后选择无明显柔性铰链的优化结构构型作为3D打印制造的基本构型,并将其拉伸为三维实体,该结构构型易于进行3D打印制造,但结构的变形能力却非常有限。(2)基于拉伸而成的三维实体,通过其应力分析图,判断结构中主要的变形区域,对该区域提出了四种结构再设计方案,来增加柔性夹钳的柔度。运用FDM制造技术分别对四种结构进行制造,并讨论了不同方案的制造工艺以保证制造结果的可用性。最后通过有限元仿真与搭建的实验平台共同验证不同再设计方案对夹钳结构柔度的影响。(3)开展了对三维柔性机构的拓扑优化设计与3D打印制造的研究,首先通过对三维柔性夹钳的设计来验证三维拓扑优化算法的可靠性,同时参考所提出的再设计方案,对优化结果进行几何重建和柔度再设计,实现了三维夹钳在单材料(PLA)和双材料(PLA+TPU)情况下的3D打印制造。考虑柔性并联机构在显微镜定位平台中的应用研究,搭建了整个显微镜系统,验证了基于FDM制造技术下的显微镜的可行性。对其中实现X-Y轴移动的柔性定位平台进行拓扑优化设计,通过算法来保证设计结构的对称性。同样对优化结果进行几何重建,实现了定位平台在单材料和双材料情况下的3D打印制造。