智造升级--OptFuture适配铣削、挤压工艺
前言
拓扑优化作为寻找零部件最佳构型、实现材料合理分布的重要设计工具，广泛应用于高端装备研发、汽车轻量化、航空航天等场景，为产品创新持续赋能。在不考虑制造约束的情况下，拓扑优化结果往往构型复杂、形态不规则，大多只能依赖3D打印等特殊工艺进行小批量、高成本加工，难以适配常规铣削、挤压等加工方式实现量产价值。因此，在拓扑优化过程中考虑构型的可制造性，使得所设计的产品具备大批量生产的可能性，在工程实际中具有重要意义。
恰逢优解未来OptFuture升级之际，我们重磅更新了拓扑优化模块，精准破解工艺适配难题。OptFuture在制造约束适配方面早已布局，此前版本已全面支持最小尺寸、铸造拔模等核心制造约束，为设计落地奠定了坚实基础。本次更新在此基础上持续突破，核心亮点直击需求，新增对铣削（2.5轴、3轴）及挤压工艺的全面支持，将制造约束深度融入优化算法，让设计过程同步匹配实际加工场景，真正实现“智造升级”的核心诉求。
有了新功能的加持，工程师无需在“最优设计”与“可制造性”之间反复妥协，既能享受拓扑优化带来的轻量化、高性能优势，又能直接输出适配铣削、挤压成型的可行方案，大幅缩短研发迭代周期、降低 制造成本。接下来，就让我们一同解锁优解未来OptFuture本次升级的核心能力，开启“设计即制造”的全新智造模式。
铣削与挤压工艺简介
首先简单介绍这次新增支持的典型制造工艺：2.5轴铣削、3轴铣削、挤压。
2.5轴铣削和3轴铣削是数控加工（CNC）中两种常见的加工方式，它们在运动控制、加工能力和应用场景上有显著区别。挤压工艺是一种重要的金属塑性成形技术，广泛应用于铝、铜、镁、钢等材料的加工。
2.5 轴铣削
在2.5轴铣削工艺中，虽然机床具备X、Y、Z三个直线轴，但在加工过程中任意时刻只有两个轴联动（通常是X和Y），Z轴单独进行上下进给。这种加工方式大部分普通机床都能做，其典型优势是成本低、效率高，适合平面类、台阶类、规则凹槽的零件，如板类、壳体、法兰、带孔平板等，是工业里最常用、最实惠的加工方式之一。
为了让所设计的零件能够使用2.5轴铣削工艺进行加工，零件的外形应满足如下特征：
零件结构以平面、台阶、规则凹坑为主；
零件侧壁多为竖直面，没有侧凹、隐蔽沟槽，所有的槽、孔、台阶从进刀方向都是可见的。
2.5轴铣削
3 轴铣削
在3轴铣削工艺中，X、Y、Z三个直线轴可以同时联动插补，刀具可在三维空间中沿任意路径运动，能加工出曲面凹凸复杂但仍可一刀成型的结构，如模具、叶轮、航空结构件、艺术雕塑等，通用性极强，覆盖绝大多数机械零件加工。3轴铣削工艺具有更大的自由度，但对于零件特征仍有以下要求：
零件无封闭内腔；
零件所有曲面、凹槽、凸台都能从加工方向直接触及。
3轴铣削
挤压制造
挤压制造就像挤牙膏一样，把金属材料从模具里 “挤” 出来。挤出来的截面从头到尾形状一致、连续，适合做型材、梁、支架结构，材料利用率极高，适合大批量、低成本量产。
根据工艺特点，挤压制造对零件外形特征的要求是：
零件的截面从头到尾形状统一、无局部凸起、盲孔，无复杂内腔结构；
零件无局部加厚、异形突变、侧向开槽等打断截面的结构。
挤压制造
了解了这几种主流制造工艺的特点后不难发现，想要让拓扑优化真正服务于量产，就必须在设计阶段就把加工规则 “告诉” 算法。为此，我们在本次版本更新中，对制造约束拓扑优化模块进行重磅升级，新增支持 2.5 轴铣削、3 轴铣削与挤压工艺约束，让优化结果从源头就符合可制造性设计要求，真正实现 “设计即能造、优化即量产”。
OptFuture拓扑优化实例
接下来，我们将结合实际案例分别介绍OptFuture新增的三种制造约束。
2.5轴铣削约束
我们首先展示一个考虑2.5轴铣削的长方体悬臂梁结构拓扑优化。悬臂梁如图1所示，长150 mm、宽20 mm、高50 mm。长度方向的一侧固定约束、另一侧施加沿Y轴负方向的均布力。结构材质为5A06铝合金。拓扑优化目标为静柔度最小化（即整体刚度最大化），约束条件为材料用量不超过设计域的30%。2.5轴铣削进刀方向为Z轴（允许Z轴正向和Z轴负向作为进刀方向），刀具直径为8 mm。设置窗口如图2所示。
图1 悬臂梁承载与位移边界条件
图2 OptFuture 2.5轴铣削约束设置窗口
图3右图展示了增加制造约束的拓扑优化结果，从构型可以判断该构型允许加工刀具从Z轴的两个方向进刀加工。作为对比，我们同样进行了不考虑制造约束的拓扑优化，优化构型如图3左图所示。显然，图3左侧构型存在中空几何特征，因此无法通过2.5轴铣削加工。
图3 无制造约束拓扑优化构型（左）与增加2.5轴铣削制造约束优化构型（右）
3轴铣削约束
接下来，我们用一个承受扭矩载荷的圆柱体算例展示OptFuture实现考虑3轴铣削工艺拓扑优化的能力。圆柱体的载荷与位移边界条件如图4所示，它的直径为20 mm、高40 mm。
图4 圆柱体结构承载与位移边界条件
圆柱体材质为5A06铝合金。一端承受方向沿Y轴正向、大小为200 N·m的扭矩，另一端施加固定约束。拓扑优化的目标为最小化结构的静柔度（即最大化结构整体刚度），质量约束为初始设计的30%。
在拓扑优化求解之前，我们可以根据工程设计经验与力学规律预判到，不考虑铣削约束的优化构型是一个密闭的圆筒形状。拓扑优化结果也印证了我们的预判——优化构型四周密闭（如下图所示）。显然，这样的优化构型只能通过增材制造的方式生产，无法通过3轴铣削制造。
图5 不考虑铣削制造约束的拓扑优化构型
我们加入3轴铣削制造约束相关参数，具体设置如下图所示。这里，我们设定3轴铣削的加工方向为±X与±Z轴、共计四个方向进刀。
图6 OptFuture 3轴铣削制造约束参数设置
考虑3轴铣削制造约束的拓扑优化构型如下图所示。
图7 考虑3轴铣削制造约束的拓扑优化构型
从优化构型可以清楚地看到，考虑3轴铣削制造约束的优化构型可以顺利制造。
挤压制造约束
这里我们用一个机器狗大腿的轻量化设计演示OptFuture拓扑优化考虑挤压制造约束的功能。机器狗整机模型与大腿的初始设计如下图所示。
图8 机器狗整机模型（左）与大腿初始设计（右）
机器狗大腿的载荷与位移边界条件如下图所示。两个关节的圆柱孔分别承受大小相同、方向相反的力——100 N、力矩——10 N·m、以及径向与轴向的位移约束。
机器狗大腿材料选用7075铝合金，具体尺寸和载荷如图9所示。拓扑优化目标为结构静柔度最小化，约束条件为材料用量不超过初始设计的65%，挤压制造约束方向为沿Y轴。
图9 机器狗大腿尺寸（左）与载荷、位移边界条件（右）
首先如果不考虑挤压制造约束，机器狗大腿的优化构型如图10所示。从图上可观察到，该构型存在侧向开槽等复杂结构，无法使用挤压制造获得。
OptFuture考虑挤压制造约束计算得到的优化构型如图11所示，该构型满足挤压制造条件。
图10 不考虑挤压制造约束的优化构型（无法进行挤压制造）
图11 考虑挤压制造约束的优化构型
使用考虑挤压制造约束拓扑优化大腿结构的机器狗整机模型如图12所示。满足挤压制造约束的优化构型允许结构使用成本更低的制造方式生产，能够显著降低成本。
图12 采用轻量化设计的机器狗整机模型
结语
优解未来OptFuture在本次更新中新增了拓扑优化制造约束。通过实例可以看到，本次新增的 2.5 轴、3 轴铣削及挤压制造约束，让拓扑优化真正实现了从 “理论最优” 到 “可制造、可量产” 的跨越。优解未来OptFuture将持续深耕可制造性设计，不断完善制造约束体系，助力工程师高效完成轻量化设计，让结构优化更贴合工程实际，为智能制造持续赋能。
