拓扑优化、设计验证与3D打印：产品创新设计的"三个火枪手"

拓扑优化、设计验证与3D打印：产品创新设计的"三个火枪手"

在现代产品设计中，拓扑优化、设计验证和3D打印技术的结合，为工程师提供了前所未有的设计自由度。这三种技术如同"三个火枪手"，共同推动着产品向轻量化、结构一体化和高端复杂化方向发展。本文将通过多个实际案例，详细介绍这三种技术如何协同工作，实现产品的创新设计。

拓扑优化：设计的起点

拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。通过拓扑优化，设计师可以找到最佳的材料布局，同时考虑应力、屈服强度等设计要求，实现材料的最优化分配。

拓扑优化技术应用案例

1. 简易轮毂结构拓扑优化设计案例

• 轮毂轮辐循环对称约束
• 5幅轮毂优化设计区域比对
• 拔模与非拔模方向
  
  图1 轮毂结构拓扑优化设计（图片来源：安世亚太）

2. 简易无人机骨架拓扑优化设计案例

• 两方向平面对称约束控制
• 考虑成员尺寸控制
  
  图2 无人机骨架拓扑优化设计（图片来源：安世亚太）

3. 夹取机械手连臂结构拓扑优化设计案例

• 夹取机械手连臂结构传统设计采用多螺栓组装配连接
• 考虑多件融合思想采用增材制造手段将多连接零件组合设计
• 减少装配工序提高装配环节干扰因素
• 满足产品轻量化设计
  
  图3 夹取机械手连臂结构拓扑优化设计（图片来源：安世亚太）

4. 平板搬运机械连臂结构拓扑设计案例

• 平板搬运机械连臂结构原始模型采用多组螺栓连接、施焊工艺
• 原结构仿真设计验证不满足力学性能指标
• 考虑多件融合思想结合增材制造技术
• 迭代修改原始结构设计空间，修正产品验证失败结构，轻量化且依然有能力提高材料利用率
  
  图4 平板搬运机械连臂结构拓扑设计（图片来源：安世亚太）

设计与模型处理：优化过程

设计与模型处理阶段主要围绕拓扑优化结果进行，包括刻面化结构的光顺处理和结构几何重构。SpaceClaim Direct Modeler软件提供了多种功能，如检查刻面、自动修复、收缩缠绕等，能够将拓扑优化结果进行高度光顺化处理，使其符合力学特征和流畅的几何过渡转角。

设计与模型处理案例

1. 轮毂结构的光顺化处理与结构重构设计案例

• 光顺化设计
• 剖面蒙皮技术
• 曲线抽取技术
• 结构重构
  图5 轮毂结构的光顺化处理与结构重构设计（图片来源：安世亚太）

2. 异形齿轮结构点阵设计案例

• 基于Lattice拓扑优化进行轻量化设计
• 重构模型考虑齿轮的安装、定位、公差配合
• 增材制造工艺完成产品打印，辅以机械加工
  
  图6 异形齿轮结构点阵设计（图片来源：安世亚太）

3. 骨骼结构点阵设计案例

• 基于Lattice点阵填充
• 满足医学中相关骨结构的分析研究需求
  
  图7 骨骼结构点阵设计（图片来源：安世亚太）

设计验证评估：质量保障

设计验证评估是确保拓扑优化技术和结构设计合理性的关键环节。通过ANSYS Mechanical等仿真软件，可以对优化后的模型进行多工况验证，确保产品在实际使用中的性能和可靠性。

设计验证评估案例

1. 挂架结构设计验证案例

• 原结构采用拼焊设计，局部位置不满足验证计算需求
• 修改原结构设计空间考虑多件融合增材制造设计
• 基于多工况计算获得拓扑形貌
• 直接建模法重构几何进行多工况验证产品强度
  图9 挂架结构设计（图片来源：安世亚太）

2. 夹取机械手连臂结构设计验证案例

• 原机械手臂结构设计采用多螺栓连接
• 板件加工方便但耗材严重
• 拓扑优化考虑多件融合设计
• 提高装配可靠性且轻量化效益显著
• 基于刻面光顺化几何结构进行多工况分析直接验证设计的合理性
  图10 夹取机械手连臂结构设计（图片来源：安世亚太）

结语

在产品设计初期，单纯依靠想象和经验往往难以达到最优设计。通过结合拓扑优化技术、设计验证和3D打印技术，工程师能够设计出既满足结构技术方案，又符合工艺要求，同时实现轻量化和高质量的产品。随着增材制造技术的不断发展，这些技术的结合将为产品设计带来更多的可能性。