減材制造的拓撲優化，為增材制造輕量化組件帶來新思路
時間：2022-06-01 11:50 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：對于減材工藝，現在的計算機軟件可以輕而易舉地生成對應的輕量化形狀，但這卻增加了制作成本和浪費。不過將這種生成的輕量化形狀用增材工藝來制造，或許又是一條新的思路。與更傳統的制造方法相比，增材制造（AM，又稱3D打印）的"自由復雜性"經常被吹捧為主要優勢。 用3D打印制造輕量化、仿生形狀或晶格結構的能力經常被譽為選擇它的理由。但是，如果這些仿生部件也可以很容易地用傳統方法制造呢？
當然，有些形狀只能用3D打印制造，但如果可以捕捉到所有加工過程中的可加工性、工具可及性和夾具的設計準則，然后再應用計算機算法去生成一個輕量化零件呢？如果是這樣的話，那么使用3D打印衍生出的設計軟件工具可以很容易地幫助加工。
在我們深入探討這個問題之前，你可能想知道計算機算法如何能夠自行生成輕量化零件。 事實證明，這比你想象的要容易，這些計算機算法，傳統上被稱為拓撲優化，已經存在了大約與3D打印在市場上的時間一樣長。
賓夕法尼亞州立大學工程系學生，從左到右，Gracie Chiodo、Jennifer Aklilu、Yanen Huang和Luke Fichner使用AutoDesk Fusion 360為他們的NASA畢業設計項目生成了一個輕量化結構（發起人：Ryan McClelland），Protolabs在不到一天的時間內輕松完成了加工。圖片來源：Gregg Stoklosa
最基本的是，拓撲優化使用數學算法，通過從三維實體模型中去除幾乎沒有負載或力和扭矩的區域的材料來實現輕量化結構。它最常被應用于結構分析，但算法也被開發用于流體流動、傳熱和幾乎所有可以在計算機上離散、建模和分析的物理現象。
通過拓撲優化，用戶指定邊界框和限制材料添加位置的"禁區"，部件和任何配合界面上的負載，以及限制運動或確保與其他部件連接的任何額外約束。這通常是由設計工程師或結構分析員完成的，但制造和工藝工程師可以使用拓撲優化來設計輕量化夾具。
一旦指定了載荷、約束和體積邊界，就可以使用拓撲優化算法從現有部件中移除材料以減輕其重量。 材料也可以通過算法添加回來，以確保在試圖實現目標減重時，部件不會失敗、變形太大或者低于給定的安全系數。
將拓撲優化應用于流體流動、傳熱和其他類型的問題也遵循同樣的基本設置，用相關的性能指標（如壓力、阻力或熱效率）取代結構標準。離散化、計算能力和分析的保真度（如線性、非線性）推動了結果的準確性以及獲得結果的成本和時間。
拓撲優化的挑戰一直是用傳統的制造方法制造輕量級結果的能力，因為通常會產生復雜的形狀。
這就是為什么拓撲優化和3D打印攜手并進的原因。3D打印通常是制造拓撲優化部件的最簡單方法，只在需要的地方分層使用材料。顯然，在用3D打印制造拓撲優化的部件時，有許多注意事項，而且往往有許多挑戰，如支撐結構，但拓撲優化在過去十年中重新受到關注，就像3D打印一樣，在過去的30年間猛然崛起。
在減法零件上沒有分層效應，但在加工時將會有其他跡象。圖片來源：TimothySimpson，賓夕法尼亞州立大學
大多數傳統拓撲優化算法的有趣之處在于，它們通過從原始結構中減去材料來生成零件。
大多數算法從現有的部件開始，然后慢慢地從低應力區域移除材料，直到一定數量的材料被消除，或者一個或多個偏移或失敗標準變得活躍。因此，我們可以計算機算法得出減材制造部件的最優拓撲結果，從而以設計出最適用于3D打印制造的版本。
許多其他人已經意識到了這一點，我們現在看到了一系列新的計算機算法和方法，用于生成輕量化結構。 有些是加法，有些是減法，有些是兩者兼而有之。有些使用人工智能和加工學習算法來生成復雜的結構和輕量化部件，而有些則模仿粘液霉菌的生長，植物種子向太陽生長，等等。
幾千年來，大自然母親一直在創造不斷進化的有機體、結構和生命。因此，為什么不在生成新設計時向大自然尋求靈感呢？
在這樣做的時候，為什么不對這些算法進行
"編程"，以考慮到可以（和不可以）用特定類型的制造工藝制造的各種限制，從而使設計演變和發展為可以用機械加工、鑄造等方式制造的東西，就像用3D打印制造一樣容易？
不幸的是，這為機械加工帶來了一個悖論，因為輕量化部件往往需要更長的時間來加工，增加了成本和浪費。未來新的算法能否幫助我們解決這個加工悖論，我們不得而知。不過就算計算能力不再限制我們，那么，我們為什么要舍近求遠，而不去用3D打印制造的輕量化部件呢？
(責任編輯：admin)
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