在追求更快的生产速度、更高质量的零部件以及超越现有成果的道路上，我们制造的产品需要不断优化，以实现更卓越的性能。其中，减轻零部件重量并同时提升强度和性能是关键，而这一“少即是多”的理念从设计阶段便开始萌芽。
此时，拓扑优化和生成设计等新兴技术为设计师带来了新的契机。
拓扑优化和生成设计借助计算机辅助计算来优化设计，于生产流程中节省成本与资源。接下来，与TCT小编一起深入了解拓扑优化和生成设计的含义、优势、挑战、应用领域和示例，并解释了它们与3D打印结合的实用性。
拓扑优化自20世纪90年代初就已存在，它通过对3D模型进行优化，节省材料并保留其基本功能。该过程需考虑作用力并定义保护区域，计算机算法构建出一个网格模型，该模型的结构完整性需在有限元分析（FEA）过程中予以验证，最后由 CAD 工程师进行检查和调整。
而在拓扑优化得出最终设计之前，通常会预先设定一个有待改进的概念（通常关乎材料与重量）。生成设计则摒弃了基础设计,而是通过“约束条件”得以界定，以创造尽可能丰富的新设计，进而探索各类可能性。这些约束条件可以是阻挡表面、使用的材料、选定的制造工艺、成本等。随后借助人工智能生成与先前界定的参数相匹配的不同设计可能性。但需要注意的是，生成设计在初始阶段不一定能确保获取最优的解决方案，而是在设定的目标（诸如重量、材料消耗以及成本等）之间进行权衡，并依据用户的偏好提供若干种选择。与拓扑优化相仿，需要工程师先明确条件，再从众多可能性中选定最终设计。
*拓扑优化与生成设计对比（来源：Mensch und Maschine）
这两种方法都能借助计算机辅助机制进行产品开发，实现轻量化、降低成本和节省材料等优化设计，同时保持或提升组件质量。相较而言，拓扑优化通常会产生单一的最终设计，而生成设计则能根据定义的约束提供多种可能性。拓扑优化与生成设计皆是以相异的方式缔造最优设计的手段，但可能的是，这些设计于下一阶段的生产流程中或许会遭遇挑战。并非所有制造工艺皆能够达成具有嵌套几何形状、悬臂结构以及可变壁厚的复杂设计，此类设计有时乃是优化过程的一部分。这就是为何这两种工具的潜能在与3D打印相结合时能够得以尤为出色地发挥。因为它们能够生成传统工艺难以实现的复杂设计，并且设计可以根据制造方法进行生成。*经过生成设计优化后的零件三维打印模型（来源：西门子 PLM）
在生成设计中，软件会考量从初始阶段便确定该零件将通过增材制造这一条件，只生能够运用3D打印技术生产的解决方案。而拓扑优化则需要CAD工程师根据制造方法对生成的设计进行检查和调整。如零件用3D打印制造可能需支撑结构，设计工程师要确定其位置和放置方式。
两种方法的优势之一是可依据算法或人工智能定义的参数优化设计，节省时间、材料和成本。生成设计能创建大量设计选项并比较且不耗时，模拟和测试成为设计过程一部分可避免返工，且生成设计中成本亦可作为一种条件加以定义，然而组件概念的拓扑优化无法提供有关成本方面的洞察。
生成设计有众多设计可能性，可呈现不同解决方案，一个关键的优势在于结束时设计以CAD文件形式存在，能导出为STEP等格式用于增材制造并简化工艺链；拓扑优化仅产生一个最终设计，工程师需改进验证，且所得模型需先转换为CAD文件。
这两种计算机辅助设计解决方案有积极因素，但也有挑战，如生成设计和拓扑优化的软件价格高，其正确且高效的使用需要具备专业学识。
*拓扑优化主要应用于提升零件重量（来源：Formlabs）此外，拓扑优化已经是一种经过验证的方法，众多大型公司熟知多年。但生成设计近年才可行且流行，虽然能够助力寻得更多解决方案，但其尚未得到广泛运用。
这两种方法都需CAD设计师及其专业知识，要考量材料特性和制造技术、分析设计可行性及考虑最终用途。AI设计虽功能最优但欠美观，设计师需从多感官方面调校。恰是在这些感官要点上，拓扑优化和生成设计抵达了极限，当下尚不能完全取代人类参与。但在众多应用中有广泛使用的可能性。
应用的多个领域虽有重叠，但拓扑优化和生成设计在方法与应用上存在差异。拓扑优化在既定范围内运作，通过去除材料和进行 FEA 模拟来提升性能；生成设计运用算法开发新的创意解决方案，优化材料分布并拓展设计空间。它们都应用于航空航天、汽车等物理特性重要的领域，也应用于创意和建筑领域。
*部分采用生成式设计的空中客车A320飞机部件（来源：Autodesk）
在航空领域，拓扑优化能够被用于改进现存设计，以制造更轻盈的飞机结构，诸如加固支架，进而降低燃料消耗。例如，Andreas Bastian就设计出了比传统飞机座椅轻54%的座椅，极大程度地降低了飞机的整体重量。不过，生成设计也被诸如空客这类公司用于制造更为坚固的部件和更具创意的组件。一个广为人知的例子是空客 A320 的隔板。*最初的仿生隔板（左图）与更新后的隔板（右图）设计效果图。（来源：空客）
在汽车领域，拓扑优化借由减轻重量来改良现有设计，进而推动了轻量化、稳定且安全的车辆的发展。菲亚特克莱斯勒（汽车制造公司）的悬挂系统通过将12多个不同的组件整合至一个单一部件中，减轻了36%的重量。生成设计也被用于通过构建新的解决方案来优化汽车零部件，使公司得以改进其产品的性能，并满足与日俱增的环保要求。例如，布加迪运用生成设计软件开发了Chiron的翼控系统，优化了组装流程并减重超过50%。但保时捷也运用了生成设计来制造 911 GT2 RS 高性能发动机的创新活塞。*采用生成式设计开发的车辆设计。其结构相似性尤其引人注目，未来优化后的车辆可能会与它们相似（来源：西门子）。
在医学领域，这两种建模工具亦发挥着决定性作用。NuVasive 的定制植入物采用网格结构减轻重量且不影响稳定性，是拓扑优化的应用实例。生成设计在骨整合领域能达成更先进的解决方案，其设计的植入物仿效天然骨骼结构，可促使3D打印植入物上形成新骨组织，提高长期稳定性。拓扑优化通常旨在提高效率和减轻重量，然而生成设计则更侧重于依据患者个体解剖结构达成最优适配，如制造个性化假肢。
生成设计用于建筑和施工领域，可构建新颖功能性空间概念并解决复杂设计问题，拓扑优化用于改良建筑形式和增强承载能力，这两种方法能让建筑师规划出更高效结构，常从自然结构获取灵感，阿姆斯特丹运河上的MX3D桥就是运用生成设计建造的范例。
拓扑优化和生成设计在现代设计中具有重要的地位和作用。它们为设计师提供了更多的可能性和创新空间，帮助实现更优化的设计方案。在2025年TCT亚洲展上，我们将有机会看到软件厂商展示他们基于这些技术的最新解决方案，航空航天、汽车、医疗，还有建筑等领域带来更多的创新灵感和发展契机。
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