減材制造的拓撲優(yōu)化，為增材制造輕量化組件帶來新思路

南極熊導讀：對于減材工藝，現(xiàn)在的計算機軟件可以輕而易舉地生成對應的輕量化形狀，但這卻增加了制作成本和浪費。不過將這種生成的輕量化形狀用增材工藝來制造，或許又是一條新的思路。

與更傳統(tǒng)的制造方法相比，增材制造（AM，又稱3D打�。┑�"自由復雜性"經常被吹捧為主要優(yōu)勢。 用3D打印制造輕量化、仿生形狀或晶格結構的能力經常被譽為選擇它的理由。但是，如果這些仿生部件也可以很容易地用傳統(tǒng)方法制造呢？

當然，有些形狀只能用3D打印制造，但如果可以捕捉到所有加工過程中的可加工性、工具可及性和夾具的設計準則，然后再應用計算機算法去生成一個輕量化零件呢？如果是這樣的話，那么使用3D打印衍生出的設計軟件工具可以很容易地幫助加工。

在我們深入探討這個問題之前，你可能想知道計算機算法如何能夠自行生成輕量化零件。 事實證明，這比你想象的要容易，這些計算機算法，傳統(tǒng)上被稱為拓撲優(yōu)化，已經存在了大約與3D打印在市場上的時間一樣長。

賓夕法尼亞州立大學工程系學生，從左到右，Gracie Chiodo、Jennifer Aklilu、Yanen Huang和Luke Fichner使用Autodesk Fusion 360為他們的NASA畢業(yè)設計項目生成了一個輕量化結構（發(fā)起人：Ryan McClelland），Protolabs在不到一天的時間內輕松完成了加工。圖片來源：Gregg Stoklosa

最基本的是，拓撲優(yōu)化使用數(shù)學算法，通過從三維實體模型中去除幾乎沒有負載或力和扭矩的區(qū)域的材料來實現(xiàn)輕量化結構。它最常被應用于結構分析，但算法也被開發(fā)用于流體流動、傳熱和幾乎所有可以在計算機上離散、建模和分析的物理現(xiàn)象。

通過拓撲優(yōu)化，用戶指定邊界框和限制材料添加位置的"禁區(qū)"，部件和任何配合界面上的負載，以及限制運動或確保與其他部件連接的任何額外約束。這通常是由設計工程師或結構分析員完成的，但制造和工藝工程師可以使用拓撲優(yōu)化來設計輕量化夾具。

一旦指定了載荷、約束和體積邊界，就可以使用拓撲優(yōu)化算法從現(xiàn)有部件中移除材料以減輕其重量。 材料也可以通過算法添加回來，以確保在試圖實現(xiàn)目標減重時，部件不會失敗、變形太大或者低于給定的安全系數(shù)。

將拓撲優(yōu)化應用于流體流動、傳熱和其他類型的問題也遵循同樣的基本設置，用相關的性能指標（如壓力、阻力或熱效率）取代結構標準。離散化、計算能力和分析的保真度（如線性、非線性）推動了結果的準確性以及獲得結果的成本和時間。

拓撲優(yōu)化的挑戰(zhàn)一直是用傳統(tǒng)的制造方法制造輕量級結果的能力，因為通常會產生復雜的形狀。 這就是為什么拓撲優(yōu)化和3D打印攜手并進的原因。3D打印通常是制造拓撲優(yōu)化部件的最簡單方法，只在需要的地方分層使用材料。顯然，在用3D打印制造拓撲優(yōu)化的部件時，有許多注意事項，而且往往有許多挑戰(zhàn)，如支撐結構，但拓撲優(yōu)化在過去十年中重新受到關注，就像3D打印一樣，在過去的30年間猛然崛起。

在減法零件上沒有分層效應，但在加工時將會有其他跡象。圖片來源：TimothySimpson，賓夕法尼亞州立大學

大多數(shù)傳統(tǒng)拓撲優(yōu)化算法的有趣之處在于，它們通過從原始結構中減去材料來生成零件。 大多數(shù)算法從現(xiàn)有的部件開始，然后慢慢地從低應力區(qū)域移除材料，直到一定數(shù)量的材料被消除，或者一個或多個偏移或失敗標準變得活躍。因此，我們可以計算機算法得出減材制造部件的最優(yōu)拓撲結果，從而以設計出最適用于3D打印制造的版本。

許多其他人已經意識到了這一點，我們現(xiàn)在看到了一系列新的計算機算法和方法，用于生成輕量化結構。 有些是加法，有些是減法，有些是兩者兼而有之。有些使用人工智能和加工學習算法來生成復雜的結構和輕量化部件，而有些則模仿粘液霉菌的生長，植物種子向太陽生長，等等。

幾千年來，大自然母親一直在創(chuàng)造不斷進化的有機體、結構和生命。因此，為什么不在生成新設計時向大自然尋求靈感呢？ 在這樣做的時候，為什么不對這些算法進行 "編程"，以考慮到可以（和不可以）用特定類型的制造工藝制造的各種限制，從而使設計演變和發(fā)展為可以用機械加工、鑄造等方式制造的東西，就像用3D打印制造一樣容易？

不幸的是，這為機械加工帶來了一個悖論，因為輕量化部件往往需要更長的時間來加工，增加了成本和浪費。未來新的算法能否幫助我們解決這個加工悖論，我們不得而知。不過就算計算能力不再限制我們，那么，我們?yōu)槭裁匆�舍近求遠，而不去用3D打印制造的輕量化部件呢？