Driving Innovation l 在建筑中应用拓扑优化金属结构节点
“金属粉末床融化技术的一大优势是可以使得金属按照CAD模型的设计实现仿生力学结构，而在更轻、更强大的探索之路上设计师们并不孤单，因为软件可以帮助设计师探索和生成高效的结构模型。”
拓扑
优化
选择性激光熔化3D打印技术带来了设计的灵活性：复杂的产品，通常以前需要很多加工步骤，现在可以一次完成，并且可以有薄壁、深腔或隐藏通道这些传统方式难以实现的设计。优化的设计可以减少支撑结构的需要，拓扑优化是这其中重要的一个环节。
案例 －
建筑结构件
今年5月，世界上最大的工程顾问公司之一奥雅纳就通过3D打印创建出比以往的设计更轻的结构对象。他们采用最新的增材制造技术来为复杂的建筑项目设计关键的钢结构部件，那么，该结构件的奥妙如何呢？且看科学谷君详细述来。
以往的建筑结构件由于连接电缆的不同受力情况，不同的节点连接处具有略微不同的形状。每个节点的常规制造是非常劳动密集和耗时的。通常涉及到机械加工、焊接和高精度定位等7个过程。
这就是为什么选择性激光融化SLM技术会哉建筑结构连接件的制造中发挥作用，过程拓扑优化包括2个连续的步骤：1）力学结构的拓扑优化 2）为了适合选择性激光融化SLM制造过程的优化设计。
图：柏林现代艺术馆的展览结构
图：优化结构节点
在承载结构设计中，根据力学性能指标，采用拓扑优化的方法来调整材料的布局。原始的三维几何、载荷方向、材料特性、压力、允许的空间连接和处理、固定孔的直径、重量和材料的减少等因素都被考虑进来。
图：原设计（左）和拓扑优化后的设计（右）
应力高的部分用红色表示，应力低的部分用蓝色表示
图：悬空超过45度的红色部分需要支撑材料
拓扑优化方法产生了将不必要的材料去除的结构，然而并不意味着这样的新结构就适合增材制造的生产要求，包括节点的大小，结构件的内部型腔结构，所需的增材制造生产时间和成本，增材制造的方向，支撑结构的需要和优化，壁厚和节点距离，散热，热处理，以及表面处理等因素都需要考虑进来。
图：拓扑力学优化设计（左）和适合增材制造而进一步优化设计的结构（右）
经过进一步的优化，最终的结构件设计仅仅需要较短的自支撑结构，并且重量还得到了进一步的减轻，避免了支撑结构和后处理。
仿真
驱动设计
在该结构件优化过程中，你会很好奇？这些事情如果靠手工来做怎么能完成呢？的确，这真的不是“人”干的事情，上述案例的幕后软件就是Altair的Inspire拓扑优化软件。在3D打印行业，这款软件已经创作了不少大名鼎鼎的创新设计，其中就包括了RUAG的卫星支架，雷尼绍的自行车，仿生机构的发动机缸盖等等。
Inspire可以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，还能节约材料及减重。
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Inspire软件是Altair Solid Thinking平台的一部分，其在拓扑优化方面的优点很多，科学谷君看来最有价值的包括：
－实现设计自由度的最大化，达到仿生学的自由形态
－满足个性化定制
－不需要每个环节的手工建模，加速产品设计流程
－可由3D打印直接输出最优结构
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