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(nèi)對設計人員設置的定義規(guī)則集，優(yōu)化材料的布局及結(jié)構(gòu)的過程。目標是通過對設計范圍內(nèi)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(shù)學化建模和優(yōu)化，從而最大限度地提高結(jié)構(gòu)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(gòu)型及工程師經(jīng)驗，可獲得完全意想不到的創(chuàng)新構(gòu)型，受到學者以及工程人員的廣泛關注。通俗地講，原始結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。如下圖所示：支架的幾何形狀經(jīng)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(jié)果幾何構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)驗對優(yōu)化結(jié)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(jié)構(gòu)的最優(yōu)性，得到的結(jié)構(gòu)性能甚至達不到已有構(gòu)型。另一方面，受制于傳統(tǒng)設計理念及制造工藝，結(jié)構(gòu)往往僅進行宏觀拓撲設計，并未充分利用結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備。這種獨特的制造方式可實現(xiàn)高度復雜結(jié)構(gòu)的自由“生長”成形，極大地拓寬了設計空間，為新型結(jié)構(gòu)及材料的制備提供了強大的工具。3D打印基于全數(shù)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的數(shù)字化制造技術，可快速實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)的制備。不僅突破了傳統(tǒng)制造技術對構(gòu)件外形、幾何尺寸和內(nèi)部復雜結(jié)構(gòu)的原理性制約。而且使廣大裝備結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計的長期禁錮枷鎖，放飛夢想，可自由地進行以產(chǎn)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(jié)構(gòu)和材料是新一代重大/高端裝備與結(jié)構(gòu)研制的迫切需求。升華三維作為國內(nèi)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(jié)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(gòu)件不同拓撲結(jié)構(gòu)的金屬支架構(gòu)件生坯，再通過脫脂和燒結(jié)制備出一批最終致密且力學性能一致的結(jié)構(gòu)件。

公司設計工程師根據(jù)給定的負載情況、約束條件和性能指標，并能在滿足支架構(gòu)件功能要求的同時提高可制造性，對支架構(gòu)件從尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)和材料分布等多方面進行了拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。設計工程師在確保設計的拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的細節(jié)，以提高其剛度重量比。

△拓撲結(jié)構(gòu)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(jīng)過后續(xù)的脫脂和燒結(jié)處理，保證了構(gòu)件各項指標的強度和性能，對于進行不同拓撲結(jié)構(gòu)的約束參數(shù)進行測試分析，采用PEP方法打印出的同類結(jié)構(gòu)件關鍵性能指標一致好，充分顯示出拓撲優(yōu)化結(jié)給3D打印的成功性，能夠為工業(yè)化創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設計開發(fā)和批量化生產(chǎn)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(jié)）

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(zhì)構(gòu)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(jīng)過幾十年的發(fā)展，已在構(gòu)造化材料、多層級結(jié)構(gòu)、多材料結(jié)構(gòu)及多功能結(jié)構(gòu)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(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新能力的飛速提升，以實現(xiàn)設計結(jié)果的工程應用，必將成為下一步研究的重點。

作為目前國內(nèi)為數(shù)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(chǎn)、切片軟件開發(fā)到3D打印工藝、脫脂及燒結(jié)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(chǎn)業(yè)驅(qū)動，加快促進我國智能制造高質(zhì)量發(fā)展。