拓撲優(yōu)化和輕量化技術
為什么骨頭內部的構造是這樣的？為什么每棵樹的生長方式不同，為什么每棵樹的樹干都不同？幾十億年來，在發(fā)展資源效率和最大功能的生存概念方面，大自然已經(jīng)成為真正的大師。骨組織的內部海綿狀或片狀結構大大加強了外部結構的硬度并穩(wěn)定了骨。反過來，樹木的生長是流動優(yōu)化的，即：適應作用在樹干上的力量。
在仿生學和輕質結構的科學領域，技術正試圖將越來越多的這些自然現(xiàn)象轉移到技術部件和應用中。拓撲優(yōu)化在輕質建筑技術中發(fā)揮著重要作用。這指的是在功能、重量或性能和效率方面對一個部件進行優(yōu)化。由于這種設計概念往往反映在非常復雜的結構和幾何形狀中，迄今為止，還缺乏盡可能簡單和經(jīng)濟地生產(chǎn)這種部件幾何形狀的可能性?，F(xiàn)在增材制造有望彌補這一缺陷。
拓撲優(yōu)化是什么意思？
部件的拓撲優(yōu)化是一個軟件支持的程序，其中對作用在部件上的載荷和有效力進行分析。在進行算法分析之前，工程師要定義一個組件所要檢查的方面和任務。例如：機械負載力、熱應力或共振、部件的振動能力?；谶@些數(shù)據(jù)，該軟件生成特定設計的部件幾何形狀，以適應相應的負載。在以這種方式設計的部件中，只有在絕對必要的地方才會添加材料，以便它能以最佳方式完成任務，并達到最佳效果和效率。
這種拓撲優(yōu)化的幾何形狀往往具有特別復雜的結構特征。這意味著它們只能使用傳統(tǒng)的制造方法，如銑削或車削–如果有的話–以巨大的努力來生產(chǎn)。出于這個原因，拓撲優(yōu)化和增材制造或3D打印是一個完美的組合。這是因為3D打印工作沒有幾何限制，因此是少數(shù)非常適合生產(chǎn)拓撲優(yōu)化部件的技術之一。
拓撲優(yōu)化在塑料或砂3D打印的背景下是如何工作的？
增材制造或3D打印可用于生產(chǎn)具有拓撲優(yōu)化的部件，從而在廣泛的材料中實現(xiàn)高度復雜的結構和設計。例如，可以直接打印金屬或塑料部件，或使用3D打印等間接工藝生產(chǎn)金屬鑄造的砂模。
增材制造所需要的只是一個數(shù)字CAD文件。這是大多數(shù)增材制造工藝以層狀方式從粉末材料建立起來的。使用激光器、打印頭或熔化噴嘴。然而，根據(jù)不同的工藝，復雜的后處理和認證過程會限制拓撲優(yōu)化組件的廣泛使用。然而，通過3D打印金屬鑄造的砂模，可以實現(xiàn)相當復雜的幾何形狀。由于鑄造是一種已經(jīng)得到認證的制造工藝，它非常適合實施這種優(yōu)化項目。
拓撲優(yōu)化在輕質結構和仿生學方面有什么優(yōu)勢？
仿生學指的是一個跨學科的科學領域，主要涉及將自然界中發(fā)生的建設性現(xiàn)象轉移到人造技術中。這并不總是要涉及承重路徑或有效電流。仿生學的典型例子是蓮花效應或尼龍搭扣。蓮花的結構和表面特性確保了它具有高度的液體排斥性。這種效果在工業(yè)上得到了應用，例如，在外墻設計或船體上。魔術貼，顧名思義，源于牛蒡的原理，如今不僅在鞋上，而且在日常生活中隨處可見。
如果仿生學和建筑的目的是在材料消耗和功能方面優(yōu)化一個部件的設計，這被稱為輕質結構。這種仿生學或輕型建筑項目的結果往往讓人聯(lián)想到仿生結構，其產(chǎn)生的結構和設計，即類似于自然現(xiàn)象的施工圖。
voxeljet是如何實現(xiàn)拓撲結構優(yōu)化的？
當涉及到拓撲結構的優(yōu)化時，我們依靠我們高產(chǎn)的粘結劑噴射技術，我們用砂子或塑料來生產(chǎn)砂型和熔模鑄造的模具和模型。在這個過程中，我們將細沙和塑料逐層粘合，以產(chǎn)生所需的幾何形狀，作為陰模或陽模。然后，打印出來的模具可以被整合到鑄造廠現(xiàn)有的鑄造工藝中。
沙子3D打印的優(yōu)勢在于它還可以用來生產(chǎn)尺寸達4 x 2 x 1米的部件。當需要高度精細和精確的結構時，塑料3D打印特別適合。
哪些行業(yè)從拓撲優(yōu)化中受益？
特別是在可持續(xù)發(fā)展和減少二氧化碳排放的話題上，仿生學在建筑領域發(fā)揮著重要作用。每一個需要燃料的行業(yè)，只要通過減輕重量來節(jié)省材料，也會減少燃料消耗，從而減少排放。出于這個原因，汽車和航空航天業(yè)特別關注輕質結構、仿生學和拓撲結構優(yōu)化。除了節(jié)省材料外，這些行業(yè)還受益于功能優(yōu)化，如提高部件的穩(wěn)定性和強度，例如，更好地保護車內人員或延長車輛和飛機的使用壽命。
同時，拓撲優(yōu)化的應用可能性在汽車和航空航天工業(yè)之外也在增加。例如，鞋底的拓撲結構也可以被優(yōu)化，以便生產(chǎn)出適應個人負載情況的鞋底。隨著增材制造系統(tǒng)生產(chǎn)力的不斷提高和此類生產(chǎn)線自動化可能性的增加，未來也有可能以批量方式制造高度個性化和拓撲優(yōu)化的產(chǎn)品。
