四種軟件策略，通過3D打印-增材制造實現輕量化
減小零件尺寸、減少零件數量和降低零件重量是航空航天、汽車制造等領域的不懈追求，譬如飛機重量每減少一克，就等于在服役期間減少了非常多的燃料消耗。再譬如，通過減小衛星的部件尺寸，可以提供更多空間來增加電池電量，從而增加衛星在太空中停留的時間。
輕量化的實現方式
需要注意的是輕量化通常被理解為從組件或零件中去除材料以減輕其重量。這是正在發生的事情，這也是為什么通常強調“材料減少”或用其他重量輕的材料代替某些材料的原因。通過選擇比強度更高的材料，可以減輕零件的總重量。例如，如果我們比較不銹鋼、鋁合金和鈦合金，鈦合金的比強度更高，可以使用更少的材料來達到相同的性能水平。因此，這種對材料的關注會影響零件的設計，零件的設計應反映出基本的設計變更是如何幫助最大程度地減少材料消耗并最終縮短構建時間的。
這種使用正確材料減輕重量的需求通常與另一個緊迫問題一起解決：浪費。雖然越來越多地引發了關于生產過程可持續性的問題，但也引發了許多在設計層面值得考慮的挑戰。由于任何結構的輕量化都會直接影響零件的機械性能，可制造性是輕量化最重要的影響因素之一，可以擁有最輕量級和性能最高的理論設計，但如果無法制造，這種設計就變得毫無用處。另一個重要因素是零件的成本，如果使用拓撲優化的輕量化部件設計不佳，那么去除過多支撐結構和增加表面處理將產生額外成本。另一方面，打印點陣晶格和 TPMS 結構可能會增加3D打印時間，從而導致零件的制造成本上漲。
二十年來，制造商一直在利用增材制造，但直到近些年才看到3D打印在實現零件輕量化方面的進步，并建立了輕量化方面的新軟件策略。
拓撲優化與創成式設計
在輕量化方面經常探索的軟件策略之一是拓撲優化：基于有限元方法 (FEM) 針對剛度或強度目標優化零件材料分配的拓撲優化（Topology Optimization）能力可實現零件輕量化設計。該設計策略針對一組給定的載荷、邊界條件和約束優化給定設計空間內的材料布局。
根據安世亞太《案例探討慣性釋放工況下的拓撲優化方法》一文，拓撲優化技術存在的時間很長，但是由于拓撲優化得到的復雜設計無法通過傳統制造方法來實現，因此拓撲優化沒有得到廣泛的應用。但是通過增材制造可以解決拓撲優化后復雜結構的制造問題，因此拓撲優化技術越來越得到重視，開辟了一個全新的工程領域。
拓撲優化是一種根據給定的工況、約束條件和響應目標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，是結構優化的一種。實踐中往往是在目標保持足夠機械性能的同時從零件中去除盡可能多材料。相比其他結構優化方法，拓撲優化是效率最高的優化方法。
根據3D科學谷的市場觀察，市場上通常把拓撲優化（Topology Optimization）與創成式設計（Generative Design）很多場合二者都是混為一談的，但細究起來創成式設計（Generative Design）是根據一些起始參數通過迭代并調整來找到一個（優化）模型。拓撲優化（Topology Optimization）是對給定的模型進行分析，常見的是根據邊界條件進行有限元分析，然后對模型變形或刪減來進行優化。
© 3D科學谷白皮書
創成式設計（Generative Design）是一個人機交互、自我創新的過程。根據輸入者的設計意圖，通過”創成式”系統，生成潛在的可行性設計方案的幾何模型，然后進行綜合對比，篩選出設計方案推送給設計者進行最后的決策。
通俗理解創成式設計是一種通過設計軟件中的算法自動生成藝術品、建筑模型、產品模型的設計方法。創成式設計是一種參數化建模方式，在設計的過程中，當設計師輸入產品參數之后，算法將自動進行調整判斷，直到獲得最優化的設計。
點陣晶格或 TPMS 填充結構
由于增材制造技術的出現，周期性胞元結構，特別是三重周期性最小表面(TPMS)引起了廣泛的研究興趣。TPMS本質上是所有點的平均曲率為零的最小曲面。TPMS結構可以用數學方法建模，并可以在三個方向上重復建模。這種模式允許TPMS胞元在三個相互垂直的方向上生長，形成TPMS胞元的3D陣列。
TPMS 為三重周期性最小表面（TPMS），對于結構應用而言，TPMS設計顯示出高強度重量比，與增材制造技術結合使用，使得設計師能夠創建兼具高強度和散熱特性的多功能結構。
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使用點陣晶格或 TPMS 填充結構是值得探索的有趣方法，在這方面，舉例來說增材制造軟件Cognitive Design已經創建了一個包含此類超材料及其機械特性的大型數據庫。Infill Optimizer是Cognitive Additive的一部分，可以根據應力路徑智能地放置此類結構，在不降低機械性能的情況下減輕整體重量。
輕量化零件設計
© Cognitive Design
結構一體化
結構一體化是一種戰略，需要扎實的專業知識和能力，才能將多個零件整合為一體。如果設計得當，該部件可以提供改進的功能。例如，幾年前，空客和 3D Systems 開發了第一個適航的金屬3D打印射頻 (RF) 濾波器，并經過測試和驗證可用于商業電信衛星。
傳統制造過程中，RF濾波器是使用標準元件設計的，例如矩形空腔和具有垂直彎曲的波導橫截面，其形狀和連接由銑削和電火花加工等標準工藝決定。
通常，射頻濾波器的空腔是通過加工用螺栓固定在一起的兩部分組成，這不僅增加了重量，而且增加了組裝步驟和額外的質量檢查過程。3D Systems 團隊使用 CST MWS 軟件（一種 3D 電磁仿真工具）開發了一個凹陷的橢圓腔來引導 RF 電流，該設計降低了生產成本并將重量減輕了 50%。
基于人工智能的新軟件解決方案使設計工程師能夠“編程”算法，通過這種方式，他們的設計不斷演進并發展成可以通過增材制造輕松制造復雜形狀的產品。
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隨著軟件解決方案的不斷發展，這種趨勢將持續下去，可以說會無限期地持續下去。正如同濟x特贊設計與人工智能實驗室范凌的《人工智能與設計的未來——2017設計與人工智能報告》的觀察分析：需求側的極度細分的趨勢需要供給側的人工智能來匹配；在線/連接/交互的趨勢從信息在線，經歷關系在線、物的在線，逐步發展為各類技能在線，最終將是心和腦的在線——人工智能/AI；伴隨著具有不可被取代的超細分技能的個體不斷涌現，平庸時代將會結束；未來的組織將是人/機交互的新組織，他們會把任務靈活地派發給外部人才，內部人才，或機器自動化地完成，通過建立機制把整個設計工作流程整合起來，實現最優的任務完成路徑。
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