近年來，3D打印技術結(jié)合拓撲優(yōu)化的方法在制造業(yè)中得到了廣泛應用。少即是多，與3D打印相結(jié)合，拓撲優(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

雖然拓撲優(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計自由度，這是因為拓撲優(yōu)化方法產(chǎn)生的復雜幾何形狀通常很難通過傳統(tǒng)制造方式進行生產(chǎn)。隨著工業(yè)增材制造技術的進步，拓撲優(yōu)化得到越來越多的關注和應用。本文將為大家詳細介紹3D打印拓撲優(yōu)化是什么，優(yōu)點、應用及制作方法。

什么是3D打印拓撲優(yōu)化？

拓撲優(yōu)化是指利用數(shù)學方法來尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)設計的過程，3D打印拓撲優(yōu)化則是將拓撲優(yōu)化技術應用于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要求的情況下，最大程度地減少材料的使用量，從而達到輕量化的目的。

本質(zhì)上，拓撲優(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計實踐的一部分。

拓撲優(yōu)化主要分為連續(xù)體拓撲優(yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。不論哪個領域，都要依賴于有限元分析 (FEA)。連續(xù)體拓撲優(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)拓撲優(yōu)化是在設計空間內(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)成最終的拓撲方案，從而實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。

3D打印拓撲優(yōu)化的優(yōu)點

拓撲優(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。

飛機支架的拓撲優(yōu)化將重量減輕了70%，圖片來自：3D Systems

輕量化

使用3D打印拓撲優(yōu)化技術可以將產(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打印拓撲優(yōu)化可以快速生產(chǎn)出復雜的結(jié)構(gòu)件，而不需要進行繁瑣的加工工藝。這也將加快數(shù)字設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打印拓撲優(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打印技術具有更低的能耗和更少的人力成本。

3D打印拓撲優(yōu)化的案例

航空航天

在航空航天領域中，3D打印拓撲優(yōu)化技術可以用來生產(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，使用EOS的金屬3D打印設備。

汽車制造

3D打印拓撲優(yōu)化技術在汽車制造領域中應用廣泛。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，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是一家工程服務公司，專注于飛機、軌道車輛、公路車輛和船舶的輕量化設計和戰(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軟件進行拓撲優(yōu)化，將鐵路集裝箱的重量減輕20%。

3D打印拓撲優(yōu)化軟件

拓撲優(yōu)化中涉及的所有復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撲優(yōu)化工具，于1994年推出。

OptiStruct開創(chuàng)了創(chuàng)新優(yōu)化技術的發(fā)展，包括許多行業(yè)第一，例如故障安全拓撲、多材料拓撲和多模型優(yōu)化。OptiStruct為傳統(tǒng)工藝、復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，它可以提供多種拓撲選項，包括優(yōu)化目標、應力和位移約束、加速度、重力和溫度負載條件。Altair Inspire為選區(qū)激光熔化 (SLM) 零件的設計和工藝仿真提供了快速準確的工具集。

圖片來自：Ansys Software

還有Ansys Discovery、nTopology都是非常不錯的拓撲生成設計軟件，除此之外，達索系統(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軟件都帶有拓撲優(yōu)化功能。

3D打印與拓撲優(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)設計制造的重要技術趨勢之一。

近年來，3D打印技術結(jié)合拓撲優(yōu)化的方法在制造業(yè)中得到了廣泛應用。少即是多，與3D打印相結(jié)合，拓撲優(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

雖然拓撲優(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計自由度，這是因為拓撲優(yōu)化方法產(chǎn)生的復雜幾何形狀通常很難通過傳統(tǒng)制造方式進行生產(chǎn)。隨著工業(yè)增材制造技術的進步，拓撲優(yōu)化得到越來越多的關注和應用。本文將為大家詳細介紹3D打印拓撲優(yōu)化是什么，優(yōu)點、應用及制作方法。

什么是3D打印拓撲優(yōu)化？

拓撲優(yōu)化是指利用數(shù)學方法來尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)設計的過程，3D打印拓撲優(yōu)化則是將拓撲優(yōu)化技術應用于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要求的情況下，最大程度地減少材料的使用量，從而達到輕量化的目的。

本質(zhì)上，拓撲優(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計實踐的一部分。

拓撲優(yōu)化主要分為連續(xù)體拓撲優(yōu)化和離散結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。不論哪個領域，都要依賴于有限元分析 (FEA)。連續(xù)體拓撲優(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)拓撲優(yōu)化是在設計空間內(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)成最終的拓撲方案，從而實現(xiàn)拓撲優(yōu)化。

3D打印拓撲優(yōu)化的優(yōu)點

拓撲優(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。

飛機支架的拓撲優(yōu)化將重量減輕了70%，圖片來自：3D Systems

輕量化

使用3D打印拓撲優(yōu)化技術可以將產(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打印拓撲優(yōu)化可以快速生產(chǎn)出復雜的結(jié)構(gòu)件，而不需要進行繁瑣的加工工藝。這也將加快數(shù)字設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打印拓撲優(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打印技術具有更低的能耗和更少的人力成本。

3D打印拓撲優(yōu)化的案例

航空航天

在航空航天領域中，3D打印拓撲優(yōu)化技術可以用來生產(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，使用EOS的金屬3D打印設備。

汽車制造

3D打印拓撲優(yōu)化技術在汽車制造領域中應用廣泛。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，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是一家工程服務公司，專注于飛機、軌道車輛、公路車輛和船舶的輕量化設計和戰(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軟件進行拓撲優(yōu)化，將鐵路集裝箱的重量減輕20%。

3D打印拓撲優(yōu)化軟件

拓撲優(yōu)化中涉及的所有復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撲優(yōu)化工具，于1994年推出。

OptiStruct開創(chuàng)了創(chuàng)新優(yōu)化技術的發(fā)展，包括許多行業(yè)第一，例如故障安全拓撲、多材料拓撲和多模型優(yōu)化。OptiStruct為傳統(tǒng)工藝、復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，它可以提供多種拓撲選項，包括優(yōu)化目標、應力和位移約束、加速度、重力和溫度負載條件。Altair Inspire為選區(qū)激光熔化 (SLM) 零件的設計和工藝仿真提供了快速準確的工具集。

圖片來自：Ansys Software

還有Ansys Discovery、nTopology都是非常不錯的拓撲生成設計軟件，除此之外，達索系統(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軟件都帶有拓撲優(yōu)化功能。

3D打印與拓撲優(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)設計制造的重要技術趨勢之一。