现有的增材制造结构，绝大部分仍然采用面向传统制造工艺的设计构型，这样所制备的结构，并未充分利用增材制造所提供的新型设计空间，性能无法在本质上得到飞跃，甚至受限于增材制造技术的不成熟，其性能劣于传统制造工艺所制备的结构，而拓扑优化应用在3D打印领域以后，可获得完全意想不到的创新构型。
增材制造为制造业带来了革命性的变化，其应用已经从快速成型进入到了实际产品制造领域，可以完成传统工艺无法实现的制造，如多件融合、分布式制造、材料性能的个性化控制，突破了结构形式和工艺手段的限制，实现了零件“自由制造”，成为可以充分发挥现代拓扑优化和轻量化结构设计优势的唯一工艺手段。如何保证增材制造打印件的质量和成功率是当前急需解决的一个问题。增材工艺仿真的出现，可以实现在制造前对打印工艺过程进行仿真计算，进而预测打印完成后的真实状态并进行工艺优化。
南极熊报道的第二届“天工杯”结构优化设计暨增材制造大赛半决赛中，使用不超过30毫升的光敏树脂材料开展扩散连接优化设计，3D打印出来，承载载荷最高达9000N以上，而在第一届“天工杯”大赛中，经过拓扑结构优化设计，40ml树脂模型最大能承受7500N的压力，真是不得不服这些设计师，拓扑优化技术进步太快了。
之前南极熊有文章详细介绍了3D打印与拓扑优化，【深度好文】“拓扑优化”与“3D打印”，那么都有哪些软件可以可以进行拓扑优化呢？
接下来南极熊就来为你盘点一下，目前的拓扑优化软件 。
3DXpert
国际3D打印巨头3D Systems旗下3DXpert能覆盖整个金属3D打印流程。一个集成软件解决方案就能简化您的工作流，消除各种生产障碍。3DXpert让您高度灵活掌控金属3D打印的设计与制造。构建仿真提供仿真和分析工具作为设计环境的组成部分，使用户在发送打印任务之前快速、精准地发现并修复增材制造问题。
- 使用本地CAD数据（实体&曲面/B-rep）工作，改善数据质量和完整性，无需将文件转换成三角面片
- 在混合建模（面片、实体和晶格）环境工作，使用基于历史的参数化CAD工具，轻松在任何阶段做变更
- 使用申请专利的3D分区功能，保持零件完整性的同时，加速打印时间。轻松分配不同打印策略到零件的不同区域，并无缝合并成一个扫描路径
- 使用结构优化工具，最小化零件重量或应用共形表面纹理，飞速创建和编辑微晶格
- 使用独特的打印策略，考虑设计意图和零件几何形状，生成最优的扫描路径
- 使用整个工作流程都采用的同一软件系统，编程后处理操作（如钻孔和铣削）
Materialise 3-matic
Materialise 将超过27年的3D打印经验融入到一系列软件解决方案和3D打印服务，其专为工业领域打造的Materialise Magics 3D 打印套件提供从创建设计、设计优化、数据准备到打印过程管理和质量监测的全套软件系统。南极熊3D打印网注意到，其市场份额非常大。
Materialise 3-matic 是针对3D打印设计优化打造的专业软件。它能帮助您创建3D打印最优设计，是3D打印流程的第一步。3-matic 在表面纹理、轻量化结构、切片技术和后拓扑优化等方面有杰出的优势。
享受自由设计、创造独特或个性化的产品
- 设计多孔结构可控制产品密度
- 通过轻量化设计节省材料、缩短打印时间并降低打印成本
- 改变和优化空气动力学、声学和缓冲性能，或增加抓力
- 巧妙使用纹理结构，避免人工繁重的后处理工作
- 强大的外部链接功能，链接多种仿真工具
通过 Materialise 3-matic 进行设计
- 直接在STL格式下修改设计
- 将STL转换回CAD
- 生成纹理、图案或孔洞
- 创建轻量化、随形或多孔结构
- 可光顺拓扑优化后粗糙的零件表面，为仿真（FEA）和打印做准备
nTopology
由于可以创建出与自然相仿的更优质3D结构，生成设计这种全新的设计方式正在迅速改变许多行业开发新产品的方式。
美国nTopology的生成设计软件Element结合了CAD、CAM和仿真等多项现有技术，是一个基于功能的工程应用，能创建出复杂且优化的结构。
你可以将某个金属工具的通用3D模型导入Element，然后选择其整体或部分进行优化，还可以在此基础上选择采用网格结构。之后，Element便会给出一个生成、手动和基于仿真的设计工具的组合，让用户根据需求随意改动和操纵结果。
Autodesk Netfabb
Netfabb除了基本性能上有所提高还添加了许多新功能，比如设计优化、创建方针和打印机准备 — 值得注意的是，这一切都能在一个单独的环境内实现，而这个环境还能与许多第三方工具兼容，其中就包括Autodesk自己的软件。下面是新版Netfabb的一些主要特性：
· 可快速导入CAD文件并将其转换成可编辑的STL文件
· 增添了更多3D打印模型的编辑和优化工具
· 可创建打印仿真，预测金属零件的结构应力和变形的
· 添加了一个能将模型布置到打印台上并且能生成支撑结构的新模块
· 添加了新的生成设计工具，可提高模型强度并减轻其重量
· 添加了一个先进的刀具路径引擎，可通过调整打印参数（如速度、聚焦和激光功率）优化打印件本身和打印效率
Altair
雷尼绍的山地自行车车架组件、Arup的建筑连接件、RUAG Space的天线支架、Thales Alenia Space合作的卫星过滤器支架、voxeljet的汽车铝合金轮架、VTT的液压组件、APWorks的3D打印摩托车… …这些不胜枚举的大牛作品都离不开Altair的软件，目前，Altair成为3D打印设计领域的吸睛品牌。
Altair在20多年前开发拓扑优化技术的时候，3D 打印制造工艺还不够成熟。而这20年来，Altair的拓扑优化技术也因为没有遇到最适合它的制造技术，而一直处于被市场声音掩盖的状态中。如今，当3D打印与之相遇，不仅激发了3D打印的潜能，也无疑给拓扑优化技术插上了腾飞的翅膀。
随着3D打印转变为一种严格意义上的制造技术，越来越多业界的目光投入到这一领域，而Altair的拓扑优化技术与仿真技术结合，使得设计师只需要给出载荷和工况，软件将提供最高效能的结构设计。
Catia CATOPO
基于CATIA V5开发的拓扑优化设计软件。设计工程师可以借助CATOPO开发出既坚固又轻便的零部件：只需确定载荷条件（约束、外载荷）和已知可设计空间（CATIA-Solid）即可从该软件获取一个已经充分考虑制造约束条件的概念性设计方案。所有的设计步骤都在CATIA环境下直接实现。使用方便：CATOPO采用了与CATIA GPS/GAS 等分析模块类似的操作坊式。
这些专门为设计工程师定制的模块能够使其快速轻松的完成分析任务。他们只需设置一些上文所述的基本输入信息即可进行基本上是自动化的分析。CATOPO沿用了这一体系，从而使其易学易用，哪怕使用这只有有限甚至根本没有分析经验，一天内也可掌握这个软件。
功能强大：CATOPO综合采用了三套巧妙的拓扑最优化程序：来自Altair Engineering公司的OptiStruct, 来自Fe-Design公司的TOSCA，以及来自INTES公司的PERMAS-TOPO。
结果处理：计算结果将被平滑化处理并能够图形化3维显示，便于直接检查查看。最后通过在新模型进行巧妙的贴片处理将其转化并保存为CATIA模型。
西门子3D打印设计软件NX
2017年，Frustum宣布为门子的NX软件提供一个拓扑优化生成器，而西门子将其加入到自己的这款端到端3D打印设计软件NX中，西门子NX是西门子旗下PLM Software公司开发的一款交互式 CAD/CAM系统，功能十分强大，可轻松实现各种复杂实体及造型的建构；已经成为模具行业3D设计的主流应用之一。现在，随着3D打印的普及，NX又成为了该技术的有力帮手，可以实现从设计到分析再到制造的整个相关流程。
GENESIS
GENESIS是一个将有限元求解器和高级优化算法集于一体的结构优化软件，主要用于结构轻量化和拓扑优化设计。用户可以直接使用ANSYS、Nastran、Abaqus等有限元软件的网格模型和载荷工况来进行结构优化设计。
GENESIS提供了丰富的优化设计功能，包括拓扑优化、形状优化，尺寸优化，形貌优化，自由尺寸优化和自由形状优化等，并支持混合优化。
GENESIS优化模型的构建是基于高级近似概念方法，可以非常快速可靠地进行优化迭代，以获得更快、最优的设计。其优化算法中采用了著名的的优化算法包DOT和BIGDOT，计算效率更高，所需优化迭代次数更少。
Generate
Generate的市场定位是为设计者的传统设计提供并行的多种拓扑优化过程以提升性能且易于3D打印。换句话说你可能不需要十分精通设计，甚至完全不明白拓扑优化是怎么回事，你只需要往Generate的平台上上传一个现成的设计，其余的事情交给Generate平台了，经过系统的计算，你可以很轻松的拿到满足产品性能要求的最终优化设计。这样一款神器，Generate已经引起了工业界的关注，这其中就包括西门子，南极熊了解到Generate已经获得了西门子的风险投资资金。
Generate平台是为制造业的设计所服务的，平台所产生的无缝设计特点使的产品轻松获得最佳的刚性，并且在不同载荷下分配材料。光滑和混合的表面，减少重量，并尽量减少应力集中，从而使设计优化完成后就适应增材制造，而不需要手动重新设计。
Generate平台提供三个版本：免费、专业级、企业级。现在任何人都可以在generate网站注册后在线使用该程序，与所有的SaaS模式软件平台一样，用户也可以按月付费。
Tosca软件
TOSCA Structure是德国Fe-design公司开发的目前在国际上处于领先地位结构优化设计软件系统，目前已被广泛应用于汽车、航空、机械制造、加工工业等众多领域，并被奥迪、宝马等世界知名公司所采用，作为其进行产品虚拟开发的软件工具。拓扑优化设计的模型通过FDM熔融沉积3D打印技术制造出来后重量减轻了将近三分之一。
TOSCA Structure 是标准的无参结构优化系统，可以对具有任意载荷工况的有限元模型进行拓扑、形状和加强筋优化。在优化过程中，可以直接使用已存在的有限元模型。TOSCA Structure 是进行结构优化的每一迭代过程均在外部求解器中进行结构分析，通过采用众多业界认可的优化器进行优化求解，保证了优化结果的高质量。 这样做的另一大优点是用户可以在自己熟悉的求解器以及前后处理环境下工作，而不需培训来熟悉另外一个陌生的软件环境。通过 TOSCA Structure内部各程序的相互作用可以完成新产品结构在CAD/CAE系统中从概念到成品的闭环优化设计过程。
SOLIDWORKS Simulation
SOLIDWORKS Simulation 2018引入了一种新的研究类型–拓扑研究，帮助设计人员和工程师能够开发出创新的最小质量的元件。在线性静态载荷和约束的条件下，拓扑研究将从有限元网格中“移除”元素，直到达到目标质量或最好的刚度和重量的尺寸比例为止。
这种元素去除的迭代过程受限于研究限制，例如最大允许挠度和任何制造控制。让我们通过一个简单的例子来深入研究这个新的研究。该模型如上图所示，是一个简单的气体辅助铰链提升机构，其任务是在保持其刚度的同时，优化蓝色部分部件的设计，以减少其质量。
solidThinking
solidThinking最出名的两款软件是Insprie和 Evolve。Inspire不仅集成了强大的拓扑优化技术，还可以无缝对接其他的CAD软件，使得设计师不需要懂得复杂的CAE知识就可以达到高效的建模水平。Evolve则提供了一个高度融合的三维建模和渲染环境，使得设计师更高效的对各种设计方案进行评估、研究以及可视化。
solidThinking Inspire拥有颠覆性的设计理念，在一个友好易用的软件环境中提供“仿真驱动设计”的创新工具。它应用于设计流程的早期，为设计工程师量身定制，帮助他们生成和探索高效的结构基础。Inspire采用Altair先进的OptiStruct优化求解器，根据给定的设计空间、材料属性以及受力需求生成理想的形状。根据软件生成的结果再进行结构设计，既能减少整个设计流程的时间，还能节省材料及减重。
OptiStruct Altair OptiStruct是一个基于有限元技术的概念设计、结构分析和设计优化工具。OptiStruct在给定的设计空间中能够自动计算最优的设计方案。广泛应用于概念设计和详细设计阶段，满足所有行业的优化设计需求——灵活的制造加工约束、广泛的优化响应类型、高度集成的应用环境
拓扑优化
在产品研发的初始阶段，用户定义产品的设计空间、设计目标、设计约束和加工制造条件等信息，OptiStruct将根据这些信息求解出一个不仅满足设计约束，而且达到各项性能最优的结构拓扑设计方案。
形貌优化许多零件上经常采用加强筋来提高刚度。OptiStruct的形貌优化技术可以指导用户设计出满足设计要求的最佳加强筋布局，已被成功应用于以提高结构刚度和降低噪声为目的的概念设计中。
ANSYS
ANSYS工具主要分三块
1、 workbench 增材分析模块，这个是为设计者使用的，使用门槛不高。
2、 ANSYS 增材打印模块，这个是为增材设备操作人员，工艺工程师使用准备的，使用门槛低。
3、 ANSYS 增材研究模块，这个是为增材材料专家， 工艺专家使用准备的，使用门槛相对偏高。
基于增材进行产品设计时，在工程设计师层面，设计师需要在产品的功能要求，需求方面梳理出来后，基于设计空间，目标，约束条件，利用Workbench搭建分析流程，再使用ANSYS topology优化进行拓扑优化，再利用SpaceClaim进行表面的光滑光顺，然后再利用Mechanical进行性能校核，同时利用workbench 增材分析模块，快速分析打印后的变形和应力问题，使得在产品设计阶段对被打印件的摆放方式，支撑施加方式，如何通过产品的优化设计，保证打印工艺的效果。 设计者确定产品最终设计后，通过ANSYS 增材打印模块分析，快速在设备，粉末以及打印工艺参数的匹配组合上，找到快速的工艺参数组合，减少打印的试错次数，保证打印控形方面的变形，应力结果。 完成初步打印参数组合后，利用ANSYS 增材研究模块，分析模拟得到打印成型后的微观结构，金相组织和孔隙率等微观结果。
Simright Toptimizer是一款在线机械结构拓扑优化软件，它可以帮助您快速做出结构拓扑优化设计，让你的设计趋向轻量化、高效、创新，而且使用简单，即便是没有工作经验，也可以快速掌握，完成结构拓扑优化，让结构拓扑优化工作变得更加简单。
imright Toptimizer主要特性
1、基于Web浏览器，可随时随地使用，无需安装软件；
2、简单易用，适用于CAE初学者及高级用户，几分钟就可以掌握，5分钟即可完成一次拓扑优化计算；
3、强大的自动化网格划分功能；
4、拓扑优化结果支持光顺化和导出STL格式。
ISIGHT
Isight是最优秀的综合性CAE软件之一，它通过一种搭积木的方式快速耦合各种仿真软件，将设计流程、优化算法、近似模型组织到一个统一的框架中，自动运行仿真软件，完成“分析—优化—模型修正—再分析再优化”整个流程，从而消除了传统设计流程中的“瓶颈”，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。从而替代工程设计者进行重复性、易出错的数字和设计处理工作。
Isight在缩短产品设计周期、降低产品成本、提高产品质量等方面，已经成为航空、航天、汽车、兵器、船舶、电子、动力、机械、教育科研领域首选的过程集成、设计优化和可靠性稳健设计的综合解决方案。
AMendate拓扑优化软件
AMendate为增材制造的组件设计提供自动拓扑优化工具。 该公司位于西德城市帕德博恩，在欧盟，联邦经济事务和能源部（BMWi）以及其他三个欧洲组织的资助下运作。
AMendate的首席执行官兼联合创始人Thomas Reiher表示，“作为创业挑战赛的获胜者之一，我们很高兴能成为该行业必须参加的活动的一部分。 AMendate为结构件的自动优化开发了解决方案。 对于需要最佳利用增材制造优势的零件的公司来说，这是一个理想的解决方案。 我们期待有趣的技术讨论，并希望订单令人兴奋。“
总结
整体结构层级化、材料属性梯度化、功能结构一体化、结构多功能化已成为新结构与材料的重要发展方向。基于增材制造工艺，突破传统设计“极限”，研发整体化、轻量化、低成本的高性能新结构和材料是新一代重大/ 高端装备与结构研制的迫切需求。
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