PEP工藝+拓撲優(yōu)化，為創(chuàng)新拓展廣闊設計空間

拓撲優(yōu)化（Topology Optimization，TO）是在給定的3D幾何設計空間內對設計人員設置的定義規(guī)則集，優(yōu)化材料的布局及結構的過程。目標是通過對設計范圍內的外力、荷載條件、邊界條件、約束以及材料屬性等因素進行數學化建模和優(yōu)化，從而最大限度地提高結構件的性能。

拓撲優(yōu)化在傳統(tǒng)制造面臨的困境

拓撲優(yōu)化因其不依賴初始構型及工程師經驗，可獲得完全意想不到的創(chuàng)新構型，受到學者以及工程人員的廣泛關注。通俗地講，原始結構為了加工的方便實際上是比較規(guī)整的，但是其中大量的材料并沒有怎么受力，通過計算和迭代優(yōu)化，可以將零件的結構優(yōu)化為新的樣式，新零件的各個部分的受力情況較之前更為均勻，沒有了應力集中分布于小范圍內的情況，這樣可以把不必要的材料去掉，更充分地利用材料的載荷能力，在保證良好的力學性能的同時，實現結構的輕量化。如下圖所示：支架的幾何形狀經過拓撲優(yōu)化后，僅保留了50％的材料，這些材料對剛度的貢獻最大。

△拓撲優(yōu)化示意圖

然而，拓撲優(yōu)化結果幾何構型復雜，采用傳統(tǒng)制造工藝制備非常困難，因此拓撲優(yōu)化方法與實際工程結構設計之間仍存在較大的鴻溝。設計人員往往要基于制造技術及經驗對優(yōu)化結果進行二次設計，來滿足可制造性，降低制造成本。這種做法往往會損壞結構的最優(yōu)性，得到的結構性能甚至達不到已有構型。另一方面，受制于傳統(tǒng)設計理念及制造工藝，結構往往僅進行宏觀拓撲設計，并未充分利用結構在多尺度上的變化或者空間梯度變化所帶來的廣闊設計空間，使得產品性能提升非常有限。

3D打印能否突破“制造決定設計”

增材制造技術（俗稱：3D打�。┦峭ㄟ^材料層層累加的方式實現結構的制備。這種獨特的制造方式可實現高度復雜結構的自由“生長”成形，極大地拓寬了設計空間，為新型結構及材料的制備提供了強大的工具。3D打印基于全數字化三維模型，在智能拓撲優(yōu)化系統(tǒng)的支持下，可使得幾何形式高度復雜，且能使得從微觀到宏觀多個幾何尺度結構的制備成為可能。其顛覆了傳統(tǒng)制造技術的局限，解決了產品研發(fā)存在的“制造決定設計”問題。

△典型的拓撲優(yōu)化設計步驟

因此，將拓撲優(yōu)化與3D打印技術相融合，發(fā)展創(chuàng)新設計技術具有廣闊的前景。如航空航天結構件的創(chuàng)新研發(fā)具有小批量、多品種、高性能等特點。3D打印作為一種無模成型三維復雜結構的數字化制造技術，可快速實現復雜結構的制備。不僅突破了傳統(tǒng)制造技術對構件外形、幾何尺寸和內部復雜結構的原理性制約。而且使廣大裝備結構設計人員可以充分利用和發(fā)揮3D打印技術的特點，徹底擺脫傳統(tǒng)制造技術對結構創(chuàng)新設計的長期禁錮枷鎖，放飛夢想，可自由地進行以產品性能最佳化為目標的創(chuàng)新設計。

拓撲優(yōu)化遇到PEP工藝，同樣不在話下

基于增材制造工藝，突破傳統(tǒng)設計“極限”，研發(fā)整體化、輕量化、低成本的高性能新結構和材料是新一代重大/高端裝備與結構研制的迫切需求。升華三維作為國內金屬/陶瓷間接3D打印技術開拓者和引領者。為展示PEP工藝的制造穩(wěn)定性及其對復雜部件的制備能力，升華三維融合工業(yè)應用之實際，充分發(fā)揮PEP技術優(yōu)勢，結合拓撲優(yōu)化設計，采用自主研發(fā)的獨立雙噴嘴3D打印機打印出基于同類原始構件不同拓撲結構的金屬支架構件生坯，再通過脫脂和燒結制備出一批最終致密且力學性能一致的結構件。

公司設計工程師根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，并能在滿足支架構件功能要求的同時提高可制造性，對支架構件從尺寸、形狀、結構和材料分布等多方面進行了拓撲結構優(yōu)化設計。設計工程師在確保設計的拓撲結構有助于組件之間所有必要的連接后，盡可能少的保留了原始結構的細節(jié)，以提高其剛度重量比。

△拓撲結構設計模型

采用PEP工藝，通過公司3D打印設備打印生坯，可極大節(jié)省制造時間與成本，縮短加工周期。再經過后續(xù)的脫脂和燒結處理，保證了構件各項指標的強度和性能，對于進行不同拓撲結構的約束參數進行測試分析，采用PEP方法打印出的同類結構件關鍵性能指標一致好，充分顯示出拓撲優(yōu)化結給3D打印的成功性，能夠為工業(yè)化創(chuàng)新結構設計開發(fā)和批量化生產制造提供解決方案。

△拓撲優(yōu)化支架（生坯）

△拓撲優(yōu)化支架（燒結）

伴隨著增材制造工藝的快速發(fā)展，建立面向增材制造的創(chuàng)新設計理論和方法，獲得具有可制造性的優(yōu)質構型，已成為當今設計師和研究人員所面臨的新課題。拓撲優(yōu)化技術經過幾十年的發(fā)展，已在構造化材料、多層級結構、多材料結構及多功能結構開展了豐富的研究，可充分利用增材制造技術釋放極大的創(chuàng)新設計空間。如何將拓撲優(yōu)化與增材制造技術相結合，實現結構創(chuàng)新能力的飛速提升，以實現設計結果的工程應用，必將成為下一步研究的重點。

作為目前國內為數不多的具備金屬/陶瓷材料開發(fā)制備、金屬/陶瓷3D打印機研發(fā)生產、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結工藝一整套金屬/陶瓷間接3D打印工藝鏈及解決方案的供應商。升華三維一直致力于面向解決金屬·陶瓷傳統(tǒng)制造工藝無法制造的難題，積極貫通金屬/陶瓷制造全鏈條、全流程、全配套的高附加值服務。升華三維也將不斷提高技術創(chuàng)新能力，響應市場應用需求，不斷開發(fā)和完善軟件及硬件功能，提升工藝解決服務能力。夯實技術基礎、創(chuàng)新產業(yè)驅動，加快促進我國智能制造高質量發(fā)展。