近年來，3D打印技術(shù)結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的方法在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。少即是多，與3D打印相結(jié)合，拓?fù)鋬?yōu)化可以使用更少的材料實現(xiàn)更輕的部件，實現(xiàn)同樣的機械性能。

圖片來自：Lightbau Engineering

雖然拓?fù)鋬?yōu)化不是因3D打印的出現(xiàn)而存在，但只有3D打印才能充分利用其提供的設(shè)計自由度，這是因為拓?fù)鋬?yōu)化方法產(chǎn)生的復(fù)雜幾何形狀通常很難通過傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行生產(chǎn)。隨著工業(yè)增材制造技術(shù)的進(jìn)步，拓?fù)鋬?yōu)化得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。本文將為大家詳細(xì)介紹3D打印拓?fù)鋬?yōu)化是什么，優(yōu)點、應(yīng)用及制作方法。

什么是3D打印拓?fù)鋬?yōu)化？

拓?fù)鋬?yōu)化是指利用數(shù)學(xué)方法來尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程，3D打印拓?fù)鋬?yōu)化則是將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于3D打印制造中。通過改變物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可以使得物體在滿足力學(xué)要求的情況下，最大程度地減少材料的使用量，從而達(dá)到輕量化的目的。

本質(zhì)上，拓?fù)鋬?yōu)化是優(yōu)化機械部件或零件的算法過程，通常通過減少材料來實現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，也是更廣泛的生成設(shè)計實踐的一部分。

拓?fù)鋬?yōu)化主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。不論哪個領(lǐng)域，都要依賴于有限元分析 (FEA)。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個單元（殼單元或者體單元），離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計空間內(nèi)建立一個由有限個梁單元組成的基結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)算法確定設(shè)計空間內(nèi)單元的去留，保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨福瑥亩鴮崿F(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)點

拓?fù)鋬?yōu)化用于整個工業(yè)部門，尤其是在航空航天工業(yè)中，減輕重量是必不可少的。同時也能在建筑、醫(yī)療和汽車行業(yè)中看到它，在這些行業(yè)中，減少材料的使用量會獲得額外的零件和產(chǎn)品優(yōu)勢。

飛機支架的拓?fù)鋬?yōu)化將重量減輕了70%，圖片來自：3D Systems

輕量化

使用3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以將產(chǎn)品的重量大幅減輕，同時保持結(jié)構(gòu)強度。輕量化結(jié)構(gòu)不僅可以降低材料成本，減少制造資源的消耗；此外，較輕的零件更容易運輸，也更便宜，同時還可以減少對環(huán)境的影響。

快速生產(chǎn)

與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印拓?fù)鋬?yōu)化可以快速生產(chǎn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，而不需要進(jìn)行繁瑣的加工工藝。這也將加快數(shù)字設(shè)計可行性的迭代和驗證，不僅可以減少生產(chǎn)時間，同時可以提高生產(chǎn)效率。

節(jié)省成本

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化可以通過減少材料使用量，減少廢料和減少制造時間等方面降低成本。此外，與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印技術(shù)具有更低的能耗和更少的人力成本。

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的案例

航空航天

在航空航天領(lǐng)域中，3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以用來生產(chǎn)更輕、更強的部件，從而降低燃油消耗和提高飛行效率，這可以為航空公司節(jié)省大量資金。例如，空中客車A320飛機上使用的3D打印鈦金屬部件：機艙鉸鏈支架。

通過強度與重量的優(yōu)化，具有自然流暢的形狀。采用的是直接金屬激光燒結(jié)（ DMLS）技術(shù)，使用EOS的金屬3D打印設(shè)備。

汽車制造

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前，幾乎所有的一級方程式賽車車隊都在使用增材制造技術(shù)為其汽車生產(chǎn)零件。通過優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)和減少重量，提高了車輛的性能和速度。

例如：雷諾F1車隊正在采用選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù)，生產(chǎn)了由碳纖維增強尼龍制成的電子冷卻管道，并將其安裝在賽車上。

鐵路運輸

TGM Lightweight Solutions是一家工程服務(wù)公司，專注于飛機、軌道車輛、公路車輛和船舶的輕量化設(shè)計和戰(zhàn)略重量優(yōu)化。

對于最近需要減輕鐵路集裝箱重量的客戶項目，TGM使用Altair HyperWorks軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，將鐵路集裝箱的重量減輕20%。

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化軟件

拓?fù)鋬?yōu)化中涉及的所有復(fù)雜計算都是通過特定軟件運行的，這些軟件有的是獨立程序，也有的是集成在計算機輔助設(shè)計 (CAD) 軟件中的模塊。其中最著名的是美國Altair公司Hyperworks軟件中的Optistruct模塊，這也是第一個商用拓?fù)鋬?yōu)化工具，于1994年推出。

OptiStruct開創(chuàng)了創(chuàng)新優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，包括許多行業(yè)第一，例如故障安全拓?fù)?、多材料拓?fù)浜投嗄Ｐ蛢?yōu)化。OptiStruct為傳統(tǒng)工藝、復(fù)合材料和增材制造提供了許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和廣泛的基本制造約束。

后來又加入了另一個軟件Altair Inspire，它可以提供多種拓?fù)溥x項，包括優(yōu)化目標(biāo)、應(yīng)力和位移約束、加速度、重力和溫度負(fù)載條件。Altair Inspire為選區(qū)激光熔化 (SLM) 零件的設(shè)計和工藝仿真提供了快速準(zhǔn)確的工具集。

圖片來自：Ansys Software

還有Ansys Discovery、nTopology都是非常不錯的拓?fù)渖稍O(shè)計軟件，除此之外，達(dá)索系統(tǒng)的Solidworks軟件、西門子的NX軟件、Autodesk的Fusion 360軟件以及PTC公司的Creo軟件都帶有拓?fù)鋬?yōu)化功能。

3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合，能夠提高零件的強度、減輕重量并降低成本，是未來工業(yè)設(shè)計制造的重要技術(shù)趨勢之一。

近年來，3D打印技術(shù)結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的方法在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。少即是多，與3D打印相結(jié)合，拓?fù)鋬?yōu)化可以使用更少的材料實現(xiàn)更輕的部件，實現(xiàn)同樣的機械性能。

圖片來自：Lightbau Engineering

雖然拓?fù)鋬?yōu)化不是因3D打印的出現(xiàn)而存在，但只有3D打印才能充分利用其提供的設(shè)計自由度，這是因為拓?fù)鋬?yōu)化方法產(chǎn)生的復(fù)雜幾何形狀通常很難通過傳統(tǒng)制造方式進(jìn)行生產(chǎn)。隨著工業(yè)增材制造技術(shù)的進(jìn)步，拓?fù)鋬?yōu)化得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。本文將為大家詳細(xì)介紹3D打印拓?fù)鋬?yōu)化是什么，優(yōu)點、應(yīng)用及制作方法。

什么是3D打印拓?fù)鋬?yōu)化？

拓?fù)鋬?yōu)化是指利用數(shù)學(xué)方法來尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程，3D打印拓?fù)鋬?yōu)化則是將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)應(yīng)用于3D打印制造中。通過改變物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，可以使得物體在滿足力學(xué)要求的情況下，最大程度地減少材料的使用量，從而達(dá)到輕量化的目的。

本質(zhì)上，拓?fù)鋬?yōu)化是優(yōu)化機械部件或零件的算法過程，通常通過減少材料來實現(xiàn)，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，也是更廣泛的生成設(shè)計實踐的一部分。

拓?fù)鋬?yōu)化主要分為連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。不論哪個領(lǐng)域，都要依賴于有限元分析 (FEA)。連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化是把優(yōu)化空間的材料離散成有限個單元（殼單元或者體單元），離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化是在設(shè)計空間內(nèi)建立一個由有限個梁單元組成的基結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)算法確定設(shè)計空間內(nèi)單元的去留，保留下來的單元即構(gòu)成最終的拓?fù)浞桨福瑥亩鴮崿F(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化。

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)點

拓?fù)鋬?yōu)化用于整個工業(yè)部門，尤其是在航空航天工業(yè)中，減輕重量是必不可少的。同時也能在建筑、醫(yī)療和汽車行業(yè)中看到它，在這些行業(yè)中，減少材料的使用量會獲得額外的零件和產(chǎn)品優(yōu)勢。

飛機支架的拓?fù)鋬?yōu)化將重量減輕了70%，圖片來自：3D Systems

輕量化

使用3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以將產(chǎn)品的重量大幅減輕，同時保持結(jié)構(gòu)強度。輕量化結(jié)構(gòu)不僅可以降低材料成本，減少制造資源的消耗；此外，較輕的零件更容易運輸，也更便宜，同時還可以減少對環(huán)境的影響。

快速生產(chǎn)

與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印拓?fù)鋬?yōu)化可以快速生產(chǎn)出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，而不需要進(jìn)行繁瑣的加工工藝。這也將加快數(shù)字設(shè)計可行性的迭代和驗證，不僅可以減少生產(chǎn)時間，同時可以提高生產(chǎn)效率。

節(jié)省成本

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化可以通過減少材料使用量，減少廢料和減少制造時間等方面降低成本。此外，與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印技術(shù)具有更低的能耗和更少的人力成本。

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的案例

航空航天

在航空航天領(lǐng)域中，3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可以用來生產(chǎn)更輕、更強的部件，從而降低燃油消耗和提高飛行效率，這可以為航空公司節(jié)省大量資金。例如，空中客車A320飛機上使用的3D打印鈦金屬部件：機艙鉸鏈支架。

通過強度與重量的優(yōu)化，具有自然流暢的形狀。采用的是直接金屬激光燒結(jié)（ DMLS）技術(shù)，使用EOS的金屬3D打印設(shè)備。

汽車制造

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前，幾乎所有的一級方程式賽車車隊都在使用增材制造技術(shù)為其汽車生產(chǎn)零件。通過優(yōu)化部件的結(jié)構(gòu)和減少重量，提高了車輛的性能和速度。

例如：雷諾F1車隊正在采用選擇性激光燒結(jié)(SLS) 技術(shù)，生產(chǎn)了由碳纖維增強尼龍制成的電子冷卻管道，并將其安裝在賽車上。

鐵路運輸

TGM Lightweight Solutions是一家工程服務(wù)公司，專注于飛機、軌道車輛、公路車輛和船舶的輕量化設(shè)計和戰(zhàn)略重量優(yōu)化。

對于最近需要減輕鐵路集裝箱重量的客戶項目，TGM使用Altair HyperWorks軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，將鐵路集裝箱的重量減輕20%。

3D打印拓?fù)鋬?yōu)化軟件

拓?fù)鋬?yōu)化中涉及的所有復(fù)雜計算都是通過特定軟件運行的，這些軟件有的是獨立程序，也有的是集成在計算機輔助設(shè)計 (CAD) 軟件中的模塊。其中最著名的是美國Altair公司Hyperworks軟件中的Optistruct模塊，這也是第一個商用拓?fù)鋬?yōu)化工具，于1994年推出。

OptiStruct開創(chuàng)了創(chuàng)新優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，包括許多行業(yè)第一，例如故障安全拓?fù)?、多材料拓?fù)浜投嗄Ｐ蛢?yōu)化。OptiStruct為傳統(tǒng)工藝、復(fù)合材料和增材制造提供了許多結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和廣泛的基本制造約束。

后來又加入了另一個軟件Altair Inspire，它可以提供多種拓?fù)溥x項，包括優(yōu)化目標(biāo)、應(yīng)力和位移約束、加速度、重力和溫度負(fù)載條件。Altair Inspire為選區(qū)激光熔化 (SLM) 零件的設(shè)計和工藝仿真提供了快速準(zhǔn)確的工具集。

圖片來自：Ansys Software

還有Ansys Discovery、nTopology都是非常不錯的拓?fù)渖稍O(shè)計軟件，除此之外，達(dá)索系統(tǒng)的Solidworks軟件、西門子的NX軟件、Autodesk的Fusion 360軟件以及PTC公司的Creo軟件都帶有拓?fù)鋬?yōu)化功能。

3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合，能夠提高零件的強度、減輕重量并降低成本，是未來工業(yè)設(shè)計制造的重要技術(shù)趨勢之一。