拓扑优化和 3D 打印如何开启新的设计机会

今天，增材制造 (AM) 为功能部件的设计和生产提供了前所未有的可能性。然而，为了充分利用技术提供的设计复杂性，需要设计软件，如拓扑优化。

拓扑优化使生产更坚固、更轻的零件成为可能。今天的文章将探讨拓扑优化与 3D 打印相结合如何帮助工程师重新构想设计和生产零件的方法。

什么是拓扑优化？

拓扑优化是一种生成式设计技术，它使用数学计算来优化对象的几何形状。

优化零件形状的过程始于定义代表零件可以占据的最大体积的“设计空间”。然后，软件会根据载荷、变形、刚度约束和边界条件等多项要求来分析形状。

这允许软件识别可以在不牺牲零件功能或性能的情况下去除材料的区域。

通过这种方式，拓扑优化有助于创建给定零件的最佳结构。

拓扑优化的好处

更快的设计流程

拓扑优化软件通过自动迭代设计直到创建优化的几何图形，帮助加快零件开发和设计过程。

通过从一开始就将性能要求纳入设计并自动化设计生成过程，就可以更快地提出创新设计，最终加快设计周期。

更轻、更坚固的部件

也许使用拓扑优化的最大优势是能够通过减轻重量和优化强度来提高零件性能。

通过在由一组参数定义的位置添加或删除材料，拓扑优化工具允许工程师探索无穷无尽的设计选项，并找到给定零件的最佳轻质但有弹性的结构.

较轻的零件受到许多行业的追捧。例如，在航空航天领域，轻质部件可以显着降低飞机油耗，而在赛车运动中，它们可以从根本上提高赛车性能。

此外，部件越轻，用于生产的材料就越少，从而降低制造成本。

结合拓扑优化和 3D 打印

传统的制造方法通常在生产拓扑优化设计的能力方面受到限制。此类设计通常具有复杂的形状，使用机械加工或注塑成型通常不可能或成本过高。

另一方面，3D 打印能够产生复杂的形状，而不会因复杂性而增加成本。这使得 3D 打印成为充分利用拓扑优化设计的最佳技术。

实践中的拓扑优化

拓扑优化和3D打印的结合应用可以在汽车、航空航天和医疗等行业中找到。

航空航天

航空航天是拓扑优化设计的主要采用者之一，这得益于制造轻质部件、减少支撑结构和保持所生产部件强度的优势。

优化和增材制造的组件被证明在降低发射卫星和航天器的成本方面非常有价值。

一个很好的例子是飞机结构制造商 STELIA Aerospace，它使用拓扑优化来生产飞机机身面板。

多亏了拓扑优化，STELIA 的设计师和工程师能够制造出更坚固的飞机机身面板，并提高了稳定性。还有一个额外的生态效益，拓扑优化设计可减少材料浪费。

医疗

另一个受益于拓扑优化的行业是医疗。功能优化的结构为生产模拟患者骨骼硬度和密度的植入物开辟了新的机会。

在最近的一个例子中，IT 公司 Altair 将 3D 打印和拓扑优化软件相结合，创建了一种改进的髋关节假体。

通过输入尺寸、重量和植入物将承受的预期载荷等参数，拓扑优化软件被用于创建髋关节植入物的新设计。优化的设计以比普通植入物更有效的方式分配应力和应变。

此外，拓扑优化软件有助于确定可以用晶格结构替换材料的位置，以使植入物更轻。

经过测试，优化后的植入物的耐久极限增加到约 1000 万次循环。这意味着髋关节植入物可以承受从洛杉矶到纽约的慢跑和返回——两次。

汽车

2018 年，宝马发布了其标志性的 i8 Roadster 汽车，配备了屡获殊荣的 3D 打印金属车顶支架。

车顶支架是一个有助于折叠和展开汽车顶部的小部件，需要进行新设计以最大限度地发挥车顶折叠机构的性能。为了实现这一目标，宝马的工程师将 3D 打印与拓扑优化软件相结合。

通过使用该软件，工程师能够输入参数，例如重量、组件的尺寸和它将承受的负载。然后，该软件生成了优化零件材料分布的设计。

工程团队完成的设计是无法铸造的。该团队发现，使这种设计成为可能的唯一方法是通过金属 3D 打印。

多亏了选择性激光熔化 (SLM) 技术，工程师们创造了一种金属车顶支架，与传统替代方案相比，它的硬度提高了 10 倍，重量减轻了 44%。

用于 3D 打印的拓扑优化软件示例

许多为 3D 打印提供设计和仿真软件的 IT 公司也在开发具有拓扑优化功能的设计解决方案。在本节中，我们将了解一些有前景的 3D 打印拓扑优化产品。

Altair 灵感

Altair 是一家全球技术公司，在产品开发、高性能计算和数据分析领域提供软件和云解决方案。

它能做什么

Altair Inspire 提供了许多拓扑选项，包括优化目标、应力和位移约束、加速度、重力和温度加载条件。

拓扑优化软件还观察制造过程约束。例如，它支持具有悬垂形状控制的增材制造设计，以帮助减少悬垂以创建更多自支撑结构。

Ansys Mechanical

ANSYS 是机械工程仿真软件和设计工具的供应商。 ANSYS 为设计人员提供与其全套多物理场软件集成的自动化拓扑优化工具。

它能做什么

Ansys Mechanical 中的拓扑优化允许您考虑多个静态载荷并结合自然频率优化（模态分析），并满足最小材料厚度的要求。除此之外，该软件旨在轻松验证优化结果，加快设计过程。

ParaMatters CogniCAD

设计和CAD软件领域也有少数希望改变市场的初创公司。 ParaMatters 成立于 2016 年，开发了衍生式设计软件 CogniCAD。

它能做什么

据报道，CogniCAD 提供了基于内部开发的拓扑优化、高分辨率有限元分析和计算几何的高度自动化的工作流程。

它提供了各种加载条件，有助于确保设计适合 3D 打印的设计目标和约束。

nTopology nTop 平台

nTopology 成立于 2015 年，提供设计软件。去年 5 月，该公司发布了其设计软件 Element，该软件提供设计分析、轻量化和优化工具。

它能做什么

在拓扑优化工具方面，nTop Platform允许用户应用多种加载条件，并针对各种性能标准进行优化，包括应力、位移和刚度。

设计优化后，该工具可以自动将拓扑优化结果转换为可编辑的几何图形。据该公司称，这可以通过提供快速且可重复的过程而无需手动几何重建来节省您的时间和精力。

拓扑优化：一种新的设计方法

过去几年，AM 拓扑优化软件取得了显着进展。大型软件公司和初创公司都在开发先进的解决方案，以突破 3D 打印设计的界限。

由于这些进步，各行各业的公司现在能够利用更大的设计自由度、更快的设计周期和增强的零件性能。

面向未来，AM 拓扑优化软件的功能将继续发展，解锁新的、强大的可能性。