拓撲優化與生成設計：選擇哪種建模工具？

魔猴君  知識堂   64天前

生產必須更快，零件必須滿足更高的要求，我們目前的成就仍必須被超越。為此，必須以某種方式優化所制造的產品，以提高效率。通常，這意味著減輕零件的重量，同時尋求更高的強度和性能。這個“少即是多”的方程式從受孕時就開始了！盡管設計師努力朝這個方向進行設計，但人工智能和機器學習等新技術帶來了新的可能性，拓撲優化和生成設計就是如此。

拓撲優化和生成設計是兩種方法，它們使用計算機輔助計算來優化設計，一方面使其完全高效，另一方面節省成本和生產資源，僅舉幾例。盡管這兩種方法追求相似的目標，但不應將它們等同或混淆。下面我們將解釋拓撲優化和生成設計的含義、優點、挑戰、具體應用領域和示例，并解釋它們與3D打印相結合的有用性。

照片來源：Mensch und Maschine

通過拓撲優化和生成設計更快地獲得最佳設計

拓撲優化本身并不是一種新方法，自20世紀90年代初以來一直被用來優化3D模型，在零件不需要支撐負載時保持基本功能，同時節省材料。拓撲優化始終從人性化設計開始，必須進行調整，以便在節省成本的情況下性能不會降低。然而，要做到這一點，有必要定義某些框架條件，例如考慮作用力并定義保護區。然后，計算機算法創建一個網格模型，其結構完整性必須在有限元分析(FEA)過程中得到驗證。然后，CAD工程師必須檢查并可能調整結果。

雖然拓撲優化后的最終設計總是先于先前建立的需要改進的概念（通常在材料和重量方面），但生成設計不需要基本設計。這是一個顯著的差異。在生成設計中，設置“約束”（條件）來創建盡可能多的新設計，以探索多種可能性。這些限制可能是阻擋表面、使用的材料、選擇的制造工藝、成本等。然后，人工智能可以設計出與先前定義的參數相對應的不同設計可能性。值得一提的是，生成設計并不能從一開始就保證最佳解決方案，而是檢查設定目標（例如重量、材料消耗和成本）之間可能的權衡，并根據用戶的偏好提供多種選擇。因此，與拓撲優化一樣，工程師首先需要定義這些條件，最后從無數的可能性中選擇最終的設計。

拓撲優化和生成設計之間的比較（圖片來源：Mensch und Maschine）

這兩種解決方案都支持使用計算機輔助機制進行產品開發，并在輕量化、降低成本和節省材料等方面進行優化設計。同時保持或提高組件的質量。還值得補充的是，所提出的設計總是受到自然界事件的啟發，與骨骼結構、蜂箱、珊瑚等有相似之處。雖然拓撲優化會產生單一的最終設計，但衍生式設計根據定義的約束提供了多種可能性。

因此，拓撲優化和生成設計都會以不同的方式創建最佳設計，但這些設計可能會給下一個生產階段帶來挑戰。并非所有制造工藝都能夠實現具有嵌套幾何形狀、懸伸和可變壁厚的復雜設計，這些設計有時被建議作為優化的一部分。

這就是為什么這兩種工具的潛力可以特別好地與3D打印結合使用。一方面，因為這兩種解決方案都會產生傳統工藝不可能或難以實現的設計；另一方面，因為可以根據制造方法生成設計。在創成式設計的情況下，可以從一開始就確定零件將通過增材制造制造，并且軟件將考慮到這一條件，因此只會生成可以使用3D打印技術實現的解決方案。拓撲優化的情況并非如此。CAD工程師必須驗證生成的設計，并可能根據制造方法對其進行改進。例如，如果零件是通過3D打印制造的，則可能需要支撐結構，具體取決于所使用的方法。然后設計工程師必須確定它們的放置位置和方式。

通過生成設計優化后可以進行3D打印的零件的表示。（圖片來源：Siemens PLM）

優點和局限性

這兩種方法的優點之一是可以根據使用算法或人工智能設置的參數來優化設計。這節省了時間、材料，從而節省了成本。生成設計允許您創建數百甚至數千個設計選項，并將它們相互比較，而不會浪費時間。模擬和測試已經成為設計過程的一部分，避免了成本高昂的返工。成本也可以定義為生成設計中的一個條件，而組件概念的拓撲優化則無法洞察成本。

生成設計中的多種設計可能性可以成為展示不同解決方案的優勢。通過拓撲優化，最終只有一種最終設計。在這種情況下，工程師仍然必須改進和驗證，而在使用其他工具時，他會運用自己的專業知識來做出選擇。一個關鍵優勢是，在生成設計過程結束時，設計可以導出為STEP文件，例如通過增材制造來制造零件并簡化生產鏈的其余部分。。通過拓撲優化獲得的模型必須首先轉換為CAD文件。

雖然這兩種計算機輔助設計解決方案都有許多積極的激勵因素，但它們也帶來了一些挑戰。一方面，生成設計和拓撲優化的軟件解決方案非常昂貴，另一方面，它們的正確和有效使用需要專業知識。拓撲優化已經是一種行之有效的方法，多年來許多大公司已經熟悉它。另一方面，生成式設計直到最近幾年才成為可能并流行。盡管生成式設計軟件可以找到更多解決方案，但它還不是很普及。

拓撲優化主要用于提高零件的重量（圖片來源：Formlabs）

對于這兩個流程，都離不開CAD設計師及其專業知識。他們必須研究材料特性和制造技術，并分析設計的可行性。在設計過程中還必須考慮最終用途。人工智能創建的設計可能是功能最優化的，但它們通常看起來不太好。必要時，設計師必須在美學、觸覺、聽覺和嗅覺方面進行調整，因為這些感官刺激對于產品的最終用戶來說是決定性的。正是在這些感官點上，拓撲優化和生成設計達到了極限，并且還無法在設計過程中取代人類。盡管如此，這兩種設計解決方案在許多應用中開辟了廣泛的可能性。

應用領域

盡管多個應用領域經常重疊，但這些方法的方法和應用有所不同。通過從給定的基礎形狀中去除材料，同時執行FEA模擬以提高性能，拓撲優化始終在定義的限制內進行。另一方面，生成設計走得更遠一些。它使用算法開發新的創意解決方案，不僅優化材料分布，還擴展設計空間。拓撲優化和生成設計不僅適用于部件物理屬性至關重要的領域，例如航空航天或汽車，而且也適用于創意領域和建筑。

空中客車A320的一部分，采用衍生式設計開發。（照片來源：Autodesk） 

在航空航天領域，拓撲優化有助于改進現有設計，以生產更輕的飛機結構，例如加強筋，這有助于降低燃料消耗。例如Andreas Bastian的工作，他設計的飛機座椅重量減輕了54%，顯著減輕了飛機的整體重量。但空中客車等公司也使用衍生式設計來制造更強大的零件和創意組件。一個著名的例子是空客A320的艙壁，其制造靈感來自自然生長過程。

在汽車行業，拓撲優化通過減輕重量來改進現有設計，有助于開發輕質、穩定和安全的車輛。由于將超過12個不同的部件集成在一個零件中，菲亞特克萊斯勒的懸架系統減少了36%。衍生式設計還用于通過創建新的解決方案來優化汽車零部件。它使公司能夠提高產品的性能并滿足日益增長的環保要求。例如，布加迪使用衍生式設計軟件開發Chiron的機翼控制系統，從而優化了裝配并減輕了50%以上的重量。但保時捷還使用衍生式設計為911 GT2 RS的高性能發動機制造了創新活塞。

使用生成設計開發的車輛設計。與骨骼結構的相似性在這里尤其引人注目，未來優化的車輛可能會與它們相似。（圖片來源：西門子）

在醫療領域，我們的兩個建模工具也發揮著決定性的作用。拓撲優化應用的一個例子是NuVasive的定制植入物，它使用晶格結構來減輕重量而不影響穩定性。相比之下，生成設計可以實現先進的解決方案，特別是在骨整合領域，其中植入物的設計類似于天然骨骼的結構。這促進了3D打印植入物上新骨組織的生長，從而提高了長期穩定性。雖然醫療領域的拓撲優化通常旨在提高效率和減輕重量，但衍生式設計側重于對個體患者解剖結構的最佳適應，特別是在制造患者專用假體時。

此外，生成設計用于建筑和施工中，為空間創造新穎和功能性的概念，同時為復雜的設計問題提供解決方案。拓撲優化也越來越多地應用于建筑中，以改善現有建筑形式并增加承載能力。這兩種方法都允許建筑師在設計階段設計更高效的結構，通常從自然結構中汲取靈感。MX3D公司的橋梁就是一個例子，它采用生成式設計在阿姆斯特丹的一條運河上建造。

時尚和珠寶行業主要使用衍生式設計，因為重點較少放在優化重量等因素上，而更多地放在創造創意和原創形狀上。設計師Julia K?rner就是一個例子：她為大片《黑豹》設計了創新的3D打印服裝。Anouk Wipprecht還使用生成設計，例如她的ScreenDress，然后使用MultiJet Fusion技術創建。在這里，最重要的是突破傳統時尚的極限，并利用數字設計流程創造新的美學結構。

左邊是Anouk Wipprecht設計的連衣裙，右邊是Julia K?rner設計的連衣裙。（照片來源：Anouk Wipprecht、Julia K?rner）

軟件和供應商

為了有效地使用拓撲優化和生成設計，需要專門的軟件解決方案。對于拓撲優化，Oqton的3DXpert等工具是理想的選擇，特別是對于植入物和復雜的幾何形狀。但Altair Inspire也是汽車和航空航天行業應用的理想選擇。Ansys Discovery和Netfabb還提供拓撲優化支持，以確保穩定的3D打印。Netfabb還有免費試用版，否則價格為一年5,300歐元或三年15,895歐元。另一個軟件解決方案是ParaMatters的CogniCAD，這是一個結合了拓撲優化和生成設計的云平臺，專門研究復雜的3D結構。要使用CogniCAD，您可以購買代幣，價格從14.90美元到5.90美元不等，具體取決于您選擇的軟件版本。

Z88Arion?是一款免費軟件，具有三種用于拓撲優化的優化算法。另一方面，西門子NX-12因集成了基于收斂建模技術的拓撲優化而脫穎而出，可實現完美的3D建模，并產生更輕但更堅固的組件。該軟件適用于生成設計和拓撲優化。

nTpo是一款適合生成式設計的軟件。（照片來源：nTopology）

對于生成式設計，nTopology提供功能強大的nTop軟件，該軟件為滿足個性化需求提供生成工具。Autodesk的Fusion 360也是一個不錯的選擇，具有草圖繪制、曲面建模和渲染等功能，并且可用于拓撲優化和生成設計。其他軟件包括Creo Parametric和Creo Generative Design，它們使用云技術創建優化的設計概念并快速實施經濟高效的設計。另一個軟件解決方案是Hexagon的MSC Apex Generative Design，它適合制作詳細而復雜的結構；或認知設計，這將使您能夠快速獲得優化的設計。

編譯整理：3dnatives