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创新设计新趋势:拓扑优化与增材制造走向融合

2017/3/7    来源:e-works    作者:e-works黄菊锋      
关键字:增材制造  拓扑优化  创新设计  
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。
    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。
 
图:空中客车集团的3D打印摩托车Light Rider
 
    其实,除了空客集团,能研发出如此具有突破性创新设计3D产品的制造企业比比皆是,还包括美国知名运动品牌Under Armour出品的3D打印限量款跑鞋Architect,ROBOT BIKE CO(RBC)公司设计的可定制3D打印自行车,以及在航天领域应用广泛的一些3D打印航天部件等等。据悉在这些成功案例的背后,均离不开拓扑优化与增材制造技术的交叉融合,协同应用。
 
    拓扑优化(Topology Optimization,TO)是指根据给定的负载情况、约束条件和性能指标,在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法。历经多年的发展与研究,拓扑优化技术已经被越来越多的应用到商用的CAD/CAE软件中。
 
    区别于传统的经验式设计模式,经过拓扑优化的产品模型是在给定载荷、工况等约束条件下,满足性能要求的最优拓扑模型,而且具备轻量化的特点,是一种新型的设计方法。然而,经过拓扑优化后的设计方案具有一个大问题:结构形式复杂,可制造性差。传统的制造方法对产品模型具有对称性、相对固定的尺寸、可重复制造等要求。即拓扑优化技术只有在不考虑制造工艺约束时才具有更好的效果。因此,尽管工程师们通过拓扑优化方法设计出了结构独特、高性能的产品模型,但往往因为可制造性问题,只能遵循“实现性优先”,而舍弃掉产品在轻量化、高性能上的优势。
 

 
图:设计空间                     拓扑优化             考虑制造工艺的拓扑优化
 
    增材制造技术的出现,很好的解决了这一大难题。增材制造(又称3D打印)是基于计算机三维CAD数据模型为基础,将材料逐层堆积直接制造三维物理实体的新型制造技术。与传统的制造方法相比,增材制造具有可控:可重复,可追溯;由小到大,先局部后整体,从点到线到面到体积;自由:空间无约束,时间无先后等特点。
 
    增材制造技术可以帮助企业打印复杂的产品结构,使用心/多孔结构、异质材料功能梯度结构、合金/复合材料/纳米材料等高性能材料,让企业不再受传统工艺和制造资源的约束,让工程师在“设计即生产”、“设计即产品”理念下,按照最理想的结构形式来设计产品,使得产品结构轻量化和高性能得以实现,“功能性优先”变为可能。因此,增材制造让拓扑优化技术的价值得以完全的发挥。
 
    当然,从另一个方面拓扑优化技术是有效缩短增材制造设计过程的重要手段,是3D打印的基础。通过拓扑优化来确定和去除那些不影响零件刚性部位的材料,并在满足功能和性能要求的基础上实现轻量化的创新设计,帮助企业创作出高颜值+高可靠的3D打印产品模型。

    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。
 
    延伸阅读:
 
    制造业迎来技术大变革时代
    产品创新数字化与智能技术发展趋势
    
责任编辑:黄菊锋
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