【增材设计】Materialise 3-matic：让拓扑优化更具吸引力

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案例分享

通用电气举办了一场发动机支架设计竞赛，高科技装备和航空航天业供应商、合作伙伴KMWE接受了这一挑战。荷兰代尔夫特理工大学的硕士生Max van der Kolk，基于KMWE的这一案例发起了一个项目，并在荷兰应用科学研究组织（TNO）进行了研究。他的目标是优化现有的飞机发动机的支架，使部件的体积最小化，并显著降低其重量。

Max希望通过使用拓扑优化来实现这一目标。拓扑优化可以在保证部件强度的前提下减轻其重量。他研发了一种高效的工作流程，能够对拓扑优化生成的概念设计进行后处理。正是凭借了Materialise的软件，他才得以解决遇到的问题。

主要的瓶颈

目前，考虑使用拓扑优化的工程师面临的主要问题是，将优化后的文件转换成计算机辅助设计（CAD）格式需要很长的时间。由于将拓扑优化结果转换为合适的CAD文件需要大量精力来手动完成，使得概念生成阶段无法直接转换到概念开发阶段。这种低效的方法让最终的结果和初始的最优解之间产生了差异。Max决心要找到能在工业应用中有效实现拓扑优化的解决方案。

期望完美的解决方案

最主要的目的是要找到一种将拓扑优化结果导入CAD的方法。“大多数问题发生在概念开发阶段，工作流程因此经常停顿，因为要对从拓扑优化获得的结果进行手动解析或重新建模，”Max解释道。因此，他列出了对软件的主要需求：

（1）经过拓扑优化的文件包含许多粗糙的表面，只能在STL级别直接修改。对粗糙表面进行平滑处理、修复和修饰能带来更好的表面质量和设计的可制造性。它能在转换至CAD时避免复杂的表面描述，并能避免在有限元分析（FEA）中出现的复杂性和可能的应力集中。

（2）软件要能够创建与CAD兼容的文件。就这个范围而言，需要对STL文件进行特定的修改。

（3）最后，软件要能够解析STL格式，能同时创建表面网格和体网格。为了创建足够好的网格，要对物件进行平滑处理。

挑选最适合的软件包

Max评估了现有的多个软件，并很高兴地发现了一个具有他所寻找的所有特性的软件。Max认为Materialise 3-matic 是对“拓扑优化结果进行后处理的最适合和最有效的方法”。Materialise对这一评价感到非常自豪。

更高效的工作流程

（1）发动机支架最初包含在原始STL文件中。将文件直接导入拓扑优化软件，物件被置入设计空间。

（2）接着，对支架进行拓扑优化。在让表面变得平滑、修复误差的同时，保留了物件的细节。

（3）下一步是把物件导出为NURBS或CAD文件。Max说，转换为CAD格式的步骤并不总是必要的。运用增材方式来制造该设计时，可以省略转换为CAD文件的步骤。在NURBS文件中，可以进行有限元分析（FEA）来获得物件的强度。在他的研究中，他使用Materialise 3-matic将NURBS表示导出到CAD，结果表明完全兼容。

（4）Materialise 3-matic的Remesh模块可以将物件的表面网格转换为体网格。得到的体网格经验证后与设计相符。Max解释说：“物件的网格化完全可以用Materialise 3-matic实现。”在满足结构分析的情况下，可以直接将Materialise 3-matic中的设计传输至计算机辅助制造（CAM）系统进行打印。通过3D打印两个缩小的发动机支架模型，证明了其与增材制造的兼容性。

巨大的成功

Max的研究表明，Materialise 3-matic能执行之前描述的工作流程中所定义的全部后处理步骤。它可以将扫描得来的测量数据转换成CAD文件，并为有限元分析生成体网格。