拓扑优化概念
拓扑优化是在给定的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建模和优化，从而最大限度的提高零件的性能。
优化目标
传统的拓扑优化使用有限元分析来评估设计性能并生成满足以下目标的结构：
降低刚度重量比（Stiffness-to-Weight
ratio）
具有更好的应变能重量比（strain energy to weight
ratio）
降低材料体积及安全系数的比例（material volume to
safety factor ratio）
自然频率重量比（natural frequency to weight
ratio）
拓扑优化特别在工程产品设计中，被用于新产品的设计阶段，提高其刚度重量比。由于拓扑优化生成的自由形式的结构通常难以用传统工业制造手段进行制造，但是在3D打印技术的进步条件下，拓扑优化的设计输出可以直接交给3D打印机来完成，极大的拓展了拓扑优化的工业化进程。
- 原始零件（设计空间）
- 输入边界、目标
- 优化结果
拓扑优化过程——优化步骤
1. 确定零件所需的最小设计空间
2. 定义外部荷载、边界条件、约束条件以及材料属性等输入信息。
3. 利用FEA考虑最小集合设计网络并将设计空间分解为更小的区域。
4.
拓扑优化使用有限元创建这个较小设计区域的基本网格（mesh），并通过FEA评估网格的应力分布和应变能，以找到每个元素可以处理的最佳载荷或者应力。
5. 拓扑优化程序以数字方式从各个角度对设计施加应力，评价其结构完整性，并找到不需要的材料区域。
6. 根据定义的要求测试每个有限元的刚度、柔度、应力、挠度，确定多余的材料区域。
7. 最后，有限元分析将各个部件编织在一起组成设计终稿。
拓扑优化优点
优化设计——产品设计需要平衡各类因素并确定最佳的设计解决方案，FEA由于其可以提前考虑各类因素，所以可以极大程度上避免设计失败的可能性。
材料使用的最小化——拓扑优化最吸引的地方就是在于其可以减少不必要的重量。特别是在航空领域，每增加一克的配重就需要增加大量的设计成本。更轻的重量和更小的尺寸也就意味着更少的能耗。
具有成本效益——拓扑优化可以最大限度的减少材料的使用和成本。并且还节省了其他因素，例如包装、更少的移动和运输能源。拓扑优化产生的许多复杂的几何形状会使标准制造工艺变得“难以实现”，但是当3D打印的技术越发成熟，这种设计实现起来也不是那么困难。
减少对环境的影响——由于拓扑优化能够最大限度的减少材料的使用，所以其可以被定义为可持续设计。
拓扑优化案例——机舱铰链
在航空航天领域中，3D打印拓扑优化技术可以用来生产更轻、更强的部件，从而降低燃油消耗和提高飞行效率。而采用3D打印的钛金属部件——机舱铰链也是经过拓扑优化方法进行强度/重量比的优化设计，再将设计模型通过AM制造模块直接导出到打印机进行生产加工。3D打印与拓扑优化的结合，能够提高零件的强度、减轻重量并降低成本，是未来工业设计制造的重要技术趋势之一，尤其是在航空航天领域。
