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创新设计新趋势：拓扑优化与增材制造走向融合
发布时间：2017-03-06
作者：e-works黄菊锋
来源：e-works
2016年5月，空中客车集团 APWorks GmbH 发布了世界上第一辆3D打印摩托车Light Rider，这款3D摩托车最大的特点是重量轻、结构优，其车身总重量仅为35公斤，比普通的电动摩托车轻30%。而空客集团能取得这样的突破，与其综合应用两大技术有重大关系，一是采用了由3D打印技术制成的超强且轻质合金材料Scalmalloy；二是通过拓扑优化技术，将框架设计成仿生力学结构，实现了材料的最佳分布。
拓扑优化与增材制造技术相辅相成，加强拓扑优化技术在内的创新设计方法与增材制造技术的融合是大势所趋。各IT厂商早已瞄准了这一市场，并纷纷加强了布局。
欧特克推崇的衍生式设计技术，其核心即是增材制造技术与拓扑优化技术的集成应用，使设计人员能够在执行设计规则并且增加了增材制造的限制条件的情况下创造出高性能的部件。
Altair也将增材制造技术与拓扑优化技术的融合作为其重要发展策略，推出了基于solidThinking的增材制造解决方案，主要过程包括由Inspire完成拓扑优化，并由Evolve进行几何构建以及网格优化后的进一步减重和后续设计迭代验证，以确保拓扑优化后的模型可以直接输入3D打印等。
图：某铝合金轮架基于solidThinking的增材制造解决方案实现造型设计及打印过程
SOLIDWORKS也在其SOLIDWORKS WORLD 2017 用户大会上，表示将通过与Stratasys公司合作，推出基于nTopology技术的，“改善功能、效率和重量比”的下一代增材制造设计方案。
西门子在3D打印领域也是频频有动作，其计划发布的增材制造解决方案由集成的设计、仿真、数字制造、数据和工艺管理软件组成，并通过拓扑优化与增材制造软件的结合，显著提高产品性能。
PTC在Creo 4.0中，专门开发了为增材制造而设计的功能，工程师可以在Creo中完成设计、优化、验证并运行打印检查，实现了产品零件的高效设计。
MSC则推出了增材制造仿真框架，该框架集3D增材制造部件的功能/制造约束、成本函数及虚拟仿真于一身，旨在实现优质的生产能力。
总结
增材制造作为将拓扑优化后的设计方案转化为实际产品的重要利器之一，极大的释放了设计的潜力。反过来，具有创新性的设计才是3D打印的基础，只有产品结构足够复杂、轻量化，才值得通过增材制造技术来实现，否则仅仅只是用增材制造来替代传统制造，反而会增加企业成本。因此，拓扑优化与增材制造的融合是技术发展的必然，是企业创造出突破性创新产品的重要方向。
当前，增材制造与以拓扑优化为代表的创新设计技术的融合主要有两个层面：一是实现增材制造与拓扑优化技术的集成应用，即在概念设计阶段增加增材制造的限制条件，使企业在满足功能和性能的要求的基础上，实现可制造的创新设计；二是增强增材制造设备与CAD/CAE软件的集成，消除应用程序或过程之间的转换或翻译的需要，帮助企业直接利用3D数据，在单一的环境下实现设计到制造的闭环。
笔者以为，增材制造与拓扑优化的融合只是冰山一角，随着技术的发展，与材料创新、机器人加工、传统的制造工艺等等技术之间会走向更大的融合。
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