空客電動摩托車的奧秘：拓撲優化和3D打印
增材制造或3D打印 作為一種替代傳統的制造方法正在落地并逐漸被大家接受，它區別于其它方法最顯著的優勢是輕量化。增材制造使得產品部件不僅質輕，而且剛硬，具備很高性能。航空航天工業一直是增材制造的先驅，現在其他行業如汽車行業等也越來越多地利用這種制造技術。特別是將增材制造應用于電動摩托車的開發，它有助于達到重量目標，同時在同樣的時間，確保產品的效率，使復雜的幾何形狀的制造得以實現。
在此，Altair以世界首輛3D打印的摩托車樣機Airbus APWorks Light Rider為例,這是一個利用增材制造方法實現創新的產品。“這樣一個復雜的有機分枝空心結構是不可能采用傳統的制造方法，如焊接和銑削等加工方法實現”Airbus APWorks GmbH 首席執行官Joachim Zettler 說道，（APWorks GmbH 是空客Airbus 集團的全資子公司）。“要感謝拓撲優化技術和空客公司內部開發的新材料，使得這一全新的設計得以實現。”
APWorks Light Rider: 設計研究成功案例
Light Rider 是由APWorks開發，為現有的和潛在客戶展示金屬3D打印設計研究的成功案例。APWorks這一研究標志著全新的零部件的研發、結構再造、材料的優化和3D打印相結合的成功。這些因素的組合導致重量和成本的節約，同時減少裝配時間，并有助于在零部件和組件集成新的額外的功能。此電動摩托車車架是基于大自然原理獲得的結構優化設計。從視覺上，Light Rider的設計有點像咖啡賽車手Cafe Racer，自上世紀60年代英國系列摩托車。在APWorks工程師選定了組件如車燈、座位和顏色后，他們開始了設計流程。
此外，拓撲優化技術和空客公司開發的高性能的鋁合金材料Scalmalloy®，是項目成功的關鍵因素。Scalmalloy®材料不僅耐腐蝕，而且結合了鋁的重量優勢以及與鈦等同的強度優勢。
“Light Rider展示了如何創建一個節省重量的精致結構，這個結構選擇輕質高強度材料如Scalmalloy®得以實現。”Zettler解釋道。
HyperWorks仿真驅動設計
APWorks工程師使用了Altair HyperWorks套件的各種仿真工具，對車架結構設計進行了仿真分析，HyperWorks是APWorks自2013成立以來一直使用的標準的產品研發軟件包。
APWorks 設計和優化項目工程師Patrick Schürmann，他也是幾個月來Light Rider項目的技術開發支持工程師，他解釋道：“在我們的研發過程中，我們使用HyperMesh 建模，OptiStruct 軟件進行有限元分析和拓撲優化，HyperView進行后處理。對于Light Rider 項目的車架和造型的重新設計，我們使用了一個外部CAD 軟件，未來我們打算采用solidThinking 中的設計工具Evolve 進行設計此項工作，這樣，Altair的產品家族將全面覆蓋APWorks仿真驅動設計產品研發的整個過程。”
優化迎接3D打印之挑戰
在一個項目如Light Rider中，生成3D打印模型，優化模型要求工程師克服三大挑戰：
第一：基于給定邊界條件創建最優形狀，一個可以很好處理拓撲優化結果的研發步驟；
第二：從優化的結果導出幾何形狀 — 代替使用傳統的CAD工具，直接使用建模工具如solidThinking Evolve和Inspire獲得更快更好的結果；
第三：處理3D打印特定的制造約束。
優化準備
對于整體結構中零部件的優化，如Light Rider的車架結構的優化設計，首先是要指定一些設計參數作為邊界條件，例如滿足整體人機工程學的車輪軸間距、車把的幾何位置、腳踏板、座位定位等。在要優化區域定義一個大的設計空間，這個設計空間與摩托車車架的外尺寸相對應，有了這些定義，軟件就知道載荷被引入的位置和各零部件之間的關系。
通過仿真計算，該軟件可以確定最佳的傳力路徑，并為工程師提供詳細的必要的材料布局。在這種優化運算中，需要考慮摩托車車架上多種不同的載荷工況，如各種源于數據表（如正常的輪胎上的力、摩擦等）載荷；摩托車不同點的受力情況，例如把手或腳踏板上受拉或受壓等載荷。
在創建設計空間時，摩托車的所有裝配關系也必須考慮在內，這些被定義為特定的邊界條件，如必要的鉆孔位置和安裝點，即使在初始的規劃階段，工程師們必須確定所有的螺栓連接關系，不能遺漏任何細節，以創建一個完整的裝配產品。
基于OptiStruct 和 Inspire 的拓撲優化
拓撲優化在仿真和設計領域提供了頗有價值的支持。指定最大的設計空間，給定載荷和其他邊界條件后，定義優化目標，之后軟件能夠計算出一個最優的設計方案—即同時滿足剛度和固有頻率的要求、重量最小的設計。
這個設計方案和理念來自于大自然這個非凡的設計模板。拓撲優化特別適合于增材制造，因為它把材料只用于它需要的地方，可以很好地通過3D打印實現加工制造。此外，拓撲優化軟件OptiStruct 和solidThinking/Inspire讓工程師在設計初始就可以在設計空間上定義所謂的非設計空間，這樣，軟件在這些非設計空間的區域不會對結構做出任何的變動。“我們工程師在HyperWorks套件的使用上很有經驗。我們非常喜歡HyperWorks，因為我們知道我們可以信賴Altair產品提供的結果，我們使用這個軟件工具于不同的產品研發階段。仿真驅動設計流程是Altair 一貫追求和支持的理念，對我們也尤為重要，因為這個流程提供了一個創新、可靠、受自然啟迪的設計。沒有設計驅動的流程，這些結果是不可能得到的。”Patrick Schürmann 說。
接下來的問題是如何處理這個復雜的設計，即如何將拓撲優化的結果導入CAD或CAE系統？優化運行后的結構常常需要重新建模，得到光順的結構以適應3D打印。“這需要很多的know-how技術來實現從拓撲優化到設計方案，進而滿足生產中各種需求進行全面的規劃和實施” Patrick Schürmann解釋說。重新設計后，需要利用有限元分析進行重新評估負載、應力強度或其它重要性能。在實施制造約束時，設計指南條例是一個必要的參考。最后但同樣重要的，APworks工程師的經驗是滿足這個知識轉化過程的關鍵。“它是一個將經驗和軟件相結合的解決方案。由于空客集團內部的研發部門研發了所需的材料，我們能夠直接與冶金專家溝通，這點十分重要，因為在這種方式下，仿真設計工程師能夠充分了解材料的性能，保證了我們能夠打印出所需的復雜的幾何形狀。” Patrick Schürmann解釋道。
金屬3D 打印
對金屬（scalmalloy®）的生產，3D打印整個摩托車車架，必須考慮在3D 打印機部件的定位。迄今為止，沒有一個金屬3D打印機能夠單件打印一個整體車架，因此，不得不分為多個部件進行打印，同時考慮各個部件的定位以及充分利用打印機的空間。
3D打印盡管很自由，但也必須考慮一些特殊的邊界條件。除了上述打印機中的組件的定位，還需要考慮具體的支撐結構、制造方向和特殊角度等。支撐結構需要在打印過程中固定組件并消除激光產生的熱。這些制造的約束是必須考慮的特別是在應用激光堆積金屬粉末床的過程中。
革命性的結果
Light Rider樣機展示了利用拓撲優化、新材料、增材制造以及仿真驅動設計流程的益處，即整體減重和提升性能的潛力。這些數字很好表達了這一能力：摩托車總重量為35公斤，車架的重量只有6公斤，這輛4千瓦的電動車從0加速到45公里/小時，只需3秒鐘。
“在我們的Light Rider項目中，拓撲結構優化、創新材料和3D打印的結合使我們能夠在摩托車研發中實現面向自然的設計。這正是我們在這個項目中追求的革命化和輕量化的設計，”Joachim Zettler進一步肯定了項目的成功。
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