創新設計新趨勢：拓撲優化與增材製造走向融合！

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©文丨 e-works黃菊鋒

2016年5月，空中客車集團 APWorks GmbH 發布了世界上第一輛3D列印機車Light Rider，這款3D機車最大的特點是重量輕、結構優，其車身總重量僅為35公斤，比普通的電動機車輕30%。

而空客集團能取得這樣的突破，與其綜合應用兩大技術有重大關係，一是採用了由3D列印技術製成的超強且輕質合金材料Scalmalloy；二是通過拓撲優化技術，將框架設計成仿生力學結構，實現了材料的最佳分佈。

其實，除了空客集團，能研發出如此具有突破性創新設計3D產品的製造企業比比皆是，還包括美國知名運動品牌Under Armour出品的3D列印限量款跑鞋Architect，ROBOT BIKE CO(RBC)公司設計的可定製3D列印腳踏車，以及在航天領域應用廣泛的一些3D列印航天部件等等。據悉在這些成功案例的背後，均離不開拓撲優化與增材製造技術的交叉融合，協同應用。

拓撲優化（Topology Optimization，TO）是指根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分佈進行優化的數學方法。歷經多年的發展與研究，拓撲優化技術已經被越來越多的應用到商用的CAD/CAE軟體中。

區別於傳統的經驗式設計模式，經過拓撲優化的產品模型是在給定載荷、工況等約束條件下，滿足性能要求的最優拓撲模型，而且具備輕量化的特點，是一種新型的設計方法。然而，經過拓撲優化后的設計方案具有一個大問題：結構形式複雜，可製造性差。傳統的製造方法對產品模型具有對稱性、相對固定的尺寸、可重複製造等要求。即拓撲優化技術只有在不考慮製造工藝約束時才具有更好的效果。因此，儘管工程師們通過拓撲優化方法設計出了結構獨特、高性能的產品模型，但往往因為可製造性問題，只能遵循「實現性優先」，而捨棄掉產品在輕量化、高性能上的優勢。

增材製造技術的出現，很好的解決了這一大難題。增材製造（又稱3D列印）是基於計算機三維CAD數據模型為基礎，將材料逐層堆積直接製造三維物理實體的新型製造技術。與傳統的製造方法相比，增材製造具有可控：可重複，可追溯；由小到大，先局部后整體，從點到線到面到體積；自由：空間無約束，時間無先後等特點。

增材製造技術可以幫助企業列印複雜的產品結構，使用心/多孔結構、異質材料功能梯度結構、合金/複合材料/納米材料等高性能材料，讓企業不再受傳統工藝和製造資源的約束，讓工程師在「設計即生產」、「設計即產品」理念下，按照最理想的結構形式來設計產品，使得產品結構輕量化和高性能得以實現，「功能性優先」變為可能。因此，增材製造讓拓撲優化技術的價值得以完全的發揮。

當然，從另一個方面拓撲優化技術是有效縮短增材製造設計過程的重要手段，是3D列印的基礎。通過拓撲優化來確定和去除那些不影響零件剛性部位的材料，並在滿足功能和性能要求的基礎上實現輕量化的創新設計，幫助企業創作出高顏值+高可靠的3D列印產品模型。

拓撲優化與增材製造技術相輔相成，加強拓撲優化技術在內的創新設計方法與增材製造技術的融合是大勢所趨。各IT廠商早已瞄準了這一市場，並紛紛加強了布局。

• 歐特克推崇的衍生式設計技術，其核心即是增材製造技術與拓撲優化技術的集成應用，使設計人員能夠在執行設計規則並且增加了增材製造的限制條件的情況下創造出高性能的部件。

• Altair也將增材製造技術與拓撲優化技術的融合作為其重要發展策略，推出了基於solidThinking的增材製造解決方案，主要過程包括由Inspire完成拓撲優化，並由Evolve進行幾何構建以及網格優化后的進一步減重和後續設計迭代驗證，以確保拓撲優化后的模型可以直接輸入3D列印等。

• SOLIDWORKS也在其SOLIDWORKS WORLD 2017 用戶大會上，表示將通過與Stratasys公司合作，推出基於nTopology技術的，「改善功能、效率和重量比」的下一代增材製造設計方案。

• 西門子在3D列印領域也是頻頻有動作，其計劃發布的增材製造解決方案由集成的設計、模擬、數字製造、數據和工藝管理軟體組成，並通過拓撲優化與增材製造軟體的結合，顯著提高產品性能。

• PTC在Creo 4.0中，專門開發了為增材製造而設計的功能，工程師可以在Creo中完成設計、優化、驗證並運行列印檢查，實現了產品零件的高效設計。

• MSC則推出了增材製造模擬框架，該框架集3D增材製造部件的功能/製造約束、成本函數及虛擬模擬於一身，旨在實現優質的生產能力。

總結

增材製造作為將拓撲優化后的設計方案轉化為實際產品的重要利器之一，極大的釋放了設計的潛力。反過來，具有創新性的設計才是3D列印的基礎，只有產品結構足夠複雜、輕量化，才值得通過增材製造技術來實現，否則僅僅只是用增材製造來替代傳統製造，反而會增加企業成本。因此，拓撲優化與增材製造的融合是技術發展的必然，是企業創造出突破性創新產品的重要方向。

當前，增材製造與以拓撲優化為代表的創新設計技術的融合主要有兩個層面：一是實現增材製造與拓撲優化技術的集成應用，即在概念設計階段增加增材製造的限制條件，使企業在滿足功能和性能的要求的基礎上，實現可製造的創新設計；二是增強增材製造設備與CAD/CAE軟體的集成，消除應用程序或過程之間的轉換或翻譯的需要，幫助企業直接利用3D數據，在單一的環境下實現設計到製造的閉環。

筆者以為，增材製造與拓撲優化的融合只是冰山一角，隨著技術的發展，與材料創新、機器人加工、傳統的製造工藝等等技術之間會走向更大的融合。

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