PEP工艺+拓扑优化，为创新拓展广阔设计空间

拓扑优化（Topology Optimization，TO）是在给定的3D几何设计空间内对设计人员设置的定义规则集，优化材料的布局及结构的过程。目标是通过对设计范围内的外力、荷载条件、边界条件、约束以及材料属性等因素进行数学化建模和优化，从而最大限度地提高结构件的性能。

拓扑优化在传统制造面临的困境

拓扑优化因其不依赖初始构型及工程师经验，可获得完全意想不到的创新构型，受到学者以及工程人员的广泛关注。通俗地讲，原始结构为了加工的方便实际上是比较规整的，但是其中大量的材料并没有怎么受力，通过计算和迭代优化，可以将零件的结构优化为新的样式，新零件的各个部分的受力情况较之前更为均匀，没有了应力集中分布于小范围内的情况，这样可以把不必要的材料去掉，更充分地利用材料的载荷能力，在保证良好的力学性能的同时，实现结构的轻量化。如下图所示：支架的几何形状经过拓扑优化后，仅保留了50％的材料，这些材料对刚度的贡献最大。

△拓扑优化示意图

然而，拓扑优化结果几何构型复杂，采用传统制造工艺制备非常困难，因此拓扑优化方法与实际工程结构设计之间仍存在较大的鸿沟。设计人员往往要基于制造技术及经验对优化结果进行二次设计，来满足可制造性，降低制造成本。这种做法往往会损坏结构的最优性，得到的结构性能甚至达不到已有构型。另一方面，受制于传统设计理念及制造工艺，结构往往仅进行宏观拓扑设计，并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间，使得产品性能提升非常有限。

3D打印能否突破“制造决定设计”

增材制造技术（俗称：3D打印）是通过材料层层累加的方式实现结构的制备。这种独特的制造方式可实现高度复杂结构的自由“生长”成形，极大地拓宽了设计空间，为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。3D打印基于全数字化三维模型，在智能拓扑优化系统的支持下，可使得几何形式高度复杂，且能使得从微观到宏观多个几何尺度结构的制备成为可能。其颠覆了传统制造技术的局限，解决了产品研发存在的“制造决定设计”问题。

△典型的拓扑优化设计步骤

因此，将拓扑优化与3D打印技术相融合，发展创新设计技术具有广阔的前景。如航空航天结构件的创新研发具有小批量、多品种、高性能等特点。3D打印作为一种无模成型三维复杂结构的数字化制造技术，可快速实现复杂结构的制备。不仅突破了传统制造技术对构件外形、几何尺寸和内部复杂结构的原理性制约。而且使广大装备结构设计人员可以充分利用和发挥3D打印技术的特点，彻底摆脱传统制造技术对结构创新设计的长期禁锢枷锁，放飞梦想，可自由地进行以产品性能最佳化为目标的创新设计。

拓扑优化遇到PEP工艺，同样不在话下

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。升华三维作为国内金属/陶瓷间接3D打印技术开拓者和引领者。为展示PEP工艺的制造稳定性及其对复杂部件的制备能力，升华三维融合工业应用之实际，充分发挥PEP技术优势，结合拓扑优化设计，采用自主研发的独立双喷嘴3D打印机打印出基于同类原始构件不同拓扑结构的金属支架构件生坯，再通过脱脂和烧结制备出一批最终致密且力学性能一致的结构件。

公司设计工程师根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，并能在满足支架构件功能要求的同时提高可制造性，对支架构件从尺寸、形状、结构和材料分布等多方面进行了拓扑结构优化设计。设计工程师在确保设计的拓扑结构有助于组件之间所有必要的连接后，尽可能少的保留了原始结构的细节，以提高其刚度重量比。

△拓扑结构设计模型

采用PEP工艺，通过公司3D打印设备打印生坯，可极大节省制造时间与成本，缩短加工周期。再经过后续的脱脂和烧结处理，保证了构件各项指标的强度和性能，对于进行不同拓扑结构的约束参数进行测试分析，采用PEP方法打印出的同类结构件关键性能指标一致好，充分显示出拓扑优化结给3D打印的成功性，能够为工业化创新结构设计开发和批量化生产制造提供解决方案。

△拓扑优化支架（生坯）

△拓扑优化支架（烧结）

伴随着增材制造工艺的快速发展，建立面向增材制造的创新设计理论和方法，获得具有可制造性的优质构型，已成为当今设计师和研究人员所面临的新课题。拓扑优化技术经过几十年的发展，已在构造化材料、多层级结构、多材料结构及多功能结构开展了丰富的研究，可充分利用增材制造技术释放极大的创新设计空间。如何将拓扑优化与增材制造技术相结合，实现结构创新能力的飞速提升，以实现设计结果的工程应用，必将成为下一步研究的重点。

作为目前国内为数不多的具备金属/陶瓷材料开发制备、金属/陶瓷3D打印机研发生产、切片软件开发到3D打印工艺、脱脂及烧结工艺一整套金属/陶瓷间接3D打印工艺链及解决方案的供应商。升华三维一直致力于面向解决金属·陶瓷传统制造工艺无法制造的难题，积极贯通金属/陶瓷制造全链条、全流程、全配套的高附加值服务。升华三维也将不断提高技术创新能力，响应市场应用需求，不断开发和完善软件及硬件功能，提升工艺解决服务能力。夯实技术基础、创新产业驱动，加快促进我国智能制造高质量发展。