终极指南：3D打印拓扑优化的优点、应用及制作方法

近年来，3D打印技术结合拓扑优化的方法在制造业中得到了广泛应用。少即是多，与3D打印相结合，拓扑优化可以使用更少的材料实现更轻的部件，实现同样的机械性能。

图片来自：Lightbau Engineering

虽然拓扑优化不是因3D打印的出现而存在，但只有3D打印才能充分利用其提供的设计自由度，这是因为拓扑优化方法产生的复杂几何形状通常很难通过传统制造方式进行生产。随着工业增材制造技术的进步，拓扑优化得到越来越多的关注和应用。本文将为大家详细介绍3D打印拓扑优化是什么，优点、应用及制作方法。
什么是3D打印拓扑优化？
拓扑优化是指利用数学方法来寻找最优结构设计的过程，3D打印拓扑优化则是将拓扑优化技术应用于3D打印制造中。通过改变物体内部的结构，可以使得物体在满足力学要求的情况下，最大程度地减少材料的使用量，从而达到轻量化的目的。

本质上，拓扑优化是优化机械部件或零件的算法过程，通常通过减少材料来实现，是结构优化的一种，也是更广泛的生成设计实践的一部分。
拓扑优化主要分为连续体拓扑优化和离散结构拓扑优化。不论哪个领域，都要依赖于有限元分析 (FEA)。连续体拓扑优化是把优化空间的材料离散成有限个单元（壳单元或者体单元），离散结构拓扑优化是在设计空间内建立一个由有限个梁单元组成的基结构，然后根据算法确定设计空间内单元的去留，保留下来的单元即构成最终的拓扑方案，从而实现拓扑优化。
3D打印拓扑优化的优点

拓扑优化用于整个工业部门，尤其是在航空航天工业中，减轻重量是必不可少的。同时也能在建筑、医疗和汽车行业中看到它，在这些行业中，减少材料的使用量会获得额外的零件和产品优势。

飞机支架的拓扑优化将重量减轻了70%，图片来自：3D Systems

轻量化
使用3D打印拓扑优化技术可以将产品的重量大幅减轻，同时保持结构强度。轻量化结构不仅可以降低材料成本，减少制造资源的消耗；此外，较轻的零件更容易运输，也更便宜，同时还可以减少对环境的影响。
快速生产
与传统的制造方法相比，3D打印拓扑优化可以快速生产出复杂的结构件，而不需要进行繁琐的加工工艺。这也将加快数字设计可行性的迭代和验证，不仅可以减少生产时间，同时可以提高生产效率。
节省成本
3D打印拓扑优化可以通过减少材料使用量，减少废料和减少制造时间等方面降低成本。此外，与传统的制造方法相比，3D打印技术具有更低的能耗和更少的人力成本。
3D打印拓扑优化的案例
航空航天
在航空航天领域中，3D打印拓扑优化技术可以用来生产更轻、更强的部件，从而降低燃油消耗和提高飞行效率，这可以为航空公司节省大量资金。例如，空中客车A320飞机上使用的3D打印钛金属部件：机舱铰链支架。

通过强度与重量的优化，具有自然流畅的形状。采用的是直接金属激光烧结（ DMLS）技术，使用EOS的金属3D打印设备。
汽车制造
3D打印拓扑优化技术在汽车制造领域中应用广泛。目前，几乎所有的一级方程式赛车车队都在使用增材制造技术为其汽车生产零件。通过优化部件的结构和减少重量，提高了车辆的性能和速度。

例如：雷诺F1车队正在采用选择性激光烧结(SLS) 技术，生产了由碳纤维增强尼龙制成的电子冷却管道，并将其安装在赛车上。
铁路运输
TGM Lightweight Solutions是一家工程服务公司，专注于飞机、轨道车辆、公路车辆和船舶的轻量化设计和战略重量优化。

对于最近需要减轻铁路集装箱重量的客户项目，TGM使用Altair HyperWorks软件进行拓扑优化，将铁路集装箱的重量减轻20%。
3D打印拓扑优化软件
拓扑优化中涉及的所有复杂计算都是通过特定软件运行的，这些软件有的是独立程序，也有的是集成在计算机辅助设计 (CAD) 软件中的模块。其中最著名的是美国Altair公司Hyperworks软件中的Optistruct模块，这也是第一个商用拓扑优化工具，于1994年推出。

OptiStruct开创了创新优化技术的发展，包括许多行业第一，例如故障安全拓扑、多材料拓扑和多模型优化。OptiStruct为传统工艺、复合材料和增材制造提供了许多结构优化方法和广泛的基本制造约束。

后来又加入了另一个软件Altair Inspire，它可以提供多种拓扑选项，包括优化目标、应力和位移约束、加速度、重力和温度负载条件。Altair Inspire为选区激光熔化 (SLM) 零件的设计和工艺仿真提供了快速准确的工具集。

图片来自：Ansys Software

还有Ansys Discovery、nTopology都是非常不错的拓扑生成设计软件，除此之外，达索系统的Solidworks软件、西门子的NX软件、Autodesk的Fusion 360软件以及PTC公司的Creo软件都带有拓扑优化功能。
3D打印与拓扑优化的结合，能够提高零件的强度、减轻重量并降低成本，是未来工业设计制造的重要技术趋势之一。