拓撲優(yōu)化與生成設計：選擇哪種建模工具？

魔猴君  知識堂   93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(yōu)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(yōu)化和生成設計就是如此。

拓撲優(yōu)化和生成設計是兩種方法，它們使用計算機輔助計算來優(yōu)化設計，一方面使其完全高效，另一方面節(jié)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(yōu)化和生成設計的含義、優(yōu)點、挑戰(zhàn)、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(yōu)化和生成設計更快地獲得最佳設計

拓撲優(yōu)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(yōu)化3D模型，在零件不需要支撐負載時保持基本功能，同時節(jié)省材料。拓撲優(yōu)化始終從人性化設計開始，必須進行調整，以便在節(jié)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(qū)。然后，計算機算法創(chuàng)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(yōu)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(chuàng)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(yōu)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(yōu)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(fā)，并在輕量化、降低成本和節(jié)省材料等方面進行優(yōu)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(fā)，與骨骼結構、蜂箱、珊瑚等有相似之處。雖然拓撲優(yōu)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(yōu)化和生成設計都會以不同的方式創(chuàng)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(zhàn)。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(yōu)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(tǒng)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(chuàng)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(yōu)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(yōu)化后可以進行3D打印的零件的表示。（圖片來源：Siemens PLM）

優(yōu)點和局限性

這兩種方法的優(yōu)點之一是可以根據使用算法或人工智能設置的參數來優(yōu)化設計。這節(jié)省了時間、材料，從而節(jié)省了成本。生成設計允許您創(chuàng)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(yōu)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(yōu)勢。通過拓撲優(yōu)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(yè)知識來做出選擇。一個關鍵優(yōu)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(yōu)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(zhàn)。一方面，生成設計和拓撲優(yōu)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(yè)知識。拓撲優(yōu)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(yōu)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(yè)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(chuàng)建的設計可能是功能最優(yōu)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(yōu)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(zhí)行FEA模擬以提高性能，拓撲優(yōu)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(fā)新的創(chuàng)意解決方案，不僅優(yōu)化材料分布，還擴展設計空間。拓撲優(yōu)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(chuàng)意領域和建筑。

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

在航空航天領域，拓撲優(yōu)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(chuàng)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(yè)，拓撲優(yōu)化通過減輕重量來改進現有設計，有助于開發(fā)輕質、穩(wěn)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(tǒng)減少了36%。衍生式設計還用于通過創(chuàng)建新的解決方案來優(yōu)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(huán)保要求。例如，布加迪使用衍生式設計軟件開發(fā)Chiron的機翼控制系統(tǒng)，從而優(yōu)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(fā)動機制造了創(chuàng)新活塞。

使用生成設計開發(fā)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(yōu)化的車輛可能會與它們相似。（圖片來源：西門子）

在醫(yī)療領域，我們的兩個建模工具也發(fā)揮著決定性的作用。拓撲優(yōu)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(wěn)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(wěn)定性。雖然醫(yī)療領域的拓撲優(yōu)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(chuàng)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(yōu)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(yè)主要使用衍生式設計，因為重點較少放在優(yōu)化重量等因素上，而更多地放在創(chuàng)造創(chuàng)意和原創(chuàng)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(chuàng)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(chuàng)建。在這里，最重要的是突破傳統(tǒng)時尚的極限，并利用數字設計流程創(chuàng)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(yōu)化和生成設計，需要專門的軟件解決方案。對于拓撲優(yōu)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(yè)應用的理想選擇。Ansys Discovery和Netfabb還提供拓撲優(yōu)化支持，以確保穩(wěn)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(yōu)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(yōu)化的優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(chuàng)建優(yōu)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(yōu)化的設計。

編譯整理：3dnatives