在 2023 年汉诺威工业博览会上，西门子首席执行官罗兰-布什（Roland Busch）热情欢迎德国总理奥拉夫-肖尔茨（Olaf Scholz）莅临我们的展台，就公司的核心价值展开讨论。图片左下方展示了一项非凡的技术，强调了西门子为实现更美好未来而不断创新的承诺。这一尖端组件充分体现了西门子致力于开创对世界产生积极影响的解决方案。
小削减-大节约
为什么像机器人抓手这样看似最基本的部件值得向德国总理展示？这是一个数字问题。一个更好的抓手设计可以使每个机器人每年减少多达 3 吨的二氧化碳排放量。工业机器人行业正在经历快速增长，年均增长率为 11%。截至 2021 年，每年将有超过 500,000 台新机器人投入使用，到 2022 年，全球将有约 350 万台机器人投入使用。要了解机器人的规模，请看以下数据：普通机器人手臂重约 1 吨，而其配套的抓手重约 21 千克。这个抓手负责搬运平均重量为 12 千克的电池，单看似乎微不足道。然而，当机械臂连续工作一年时，会产生约 5.6 吨的二氧化碳排放量。如果扩大到现有的所有机器人，其影响就会变得惊人。如果我们能大幅降低仅占整个机器人 2% 的机器人抓手的质量，会怎样呢？
试想一下，你可以设计出一种机器人抓手，它不仅功能与原始的机器人抓手相同，而且复杂程度也大大降低。这种机械手仅由 5 个减碳 PA 12（尼龙 12）部件组成，比通常使用的 30 个铝或钢部件减少了 84%。不仅如此，重量还减轻了 90%。你猜怎么着：这种先进的机械手不再需要一个多月的漫长交货期，而只需两天就能生产出来。这听起来像是天方夜谭，但我向你保证，事实并非如此。有了 NX™ 软件中的生成工程技术，这种可能性如今已经触手可及。
淘汰旧产品–设计、制造和测试
让我们回顾一下设计流程的起源。在人类历史的大部分时间里，甚至直到最近，只有在制造之后才能对设计进行验证，通常是通过在实际条件下进行直接测试。可制造性、美观性和功能性这三要素一直是成功设计的首要条件，而且必须同时满足这三个方面的要求。
当然，确保组件的可制造性是确保可行性的首要考虑因素。然而，这往往会在施工后不幸地发现设计缺乏功能性，因此必须在施工开始前对设计进行修改。最后才发现，即使解决了功能性问题，设计也无法满足美学要求，如此循环往复。真是浪费资源和时间！
与时俱进 – 模拟驱动器n 设计
为了应对这些挑战，新的仿真驱动设计技术应运而生，帮助设计师和工程师进行创新，更有效地满足功能要求。其中最突出的进步是拓扑优化，这种技术可根据输入的边界条件和给定的设计空间，返回最佳材料分布。尽管这些新的解决方案功能强大，但往往比较复杂，需要对优化理论有深入的了解。因此，这些工具主要针对应力工程师，并不适合设计师的早期设计。此外，这些工具只能用于提供设计指导，因为其结果格式与设计过程不兼容，并且需要大量的人工工作才能将结果重建为 CAD 格式。
传统的 “设计师 “和新兴的 “制造者 “用户角色可以从 CAD 系统集成的以设计师为中心的解决方案中获益良多。这种工具应该直观易用，尤其是在早期设计阶段，用户无需深入了解结构优化和分析，就能做出正确的决定。NX 拓扑优化器作为 NX 原生生成工程解决方案，无缝集成在 NX 平台中，填补了这一空白。
NX 拓扑优化器
NX 拓扑优化器的主要优势之一是上下游关联性。这意味着两点：对输入要求所做的任何更改都不会破坏现有结果–它们只会相应更新。同样，拓扑优化结果的修改也不会干扰现有的下游操作，只需点击一下即可更新。此外，该解决方案采用 GPU 加速，与传统的基于 CAE 的拓扑优化解决方案相比，速度无与伦比。
NX 拓扑优化器产生的结果格式是一个平滑体，可在 NX 环境中轻松编辑，使其可用于 NX 生态系统中的任何下游操作。通过在 NX 中使用生成设计，可以有效消除与传统设计流程相关的挑战和限制，为提高效率和创新铺平道路。
简化生成设计 发展
那么，这对您有什么好处呢？西门子数字工业软件公司增材制造业务开发专家丹尼斯-尼尔（Dennis Nier）对设计师和工程经理为什么要投资于生成设计解决方案给出了准确的答案。”对于设计人员来说，生成式设计只需在安全系数范围内生成整个轻质部件，无需在早期阶段设计和计算每个细节”。
生成式设计简化了设计迭代过程，允许快速探索设计替代方案并增强创造力。丹尼斯-尼尔进一步解释说：”对于工程经理来说，投资于生成设计可以带来实实在在的好处，如缩短产品开发周期、降低材料用量、减少制造成本，以及满足净零目标等公司指令”。
最终零件的复杂性如何？设计人员是否应该担心这个问题？丹尼斯的回答很明确：”我根本不会在这里谈论复杂性。采用生成式设计后，部件的外观会有所不同。几何形状将更加有机，不再包含典型的直角和块。NX Topology Optimizer 是一种具有制造意识的解决方案，通过在优化过程中加入所谓的形状约束，该解决方案可按照预定方法返回可制造的设计，无论是减法制造还是加法制造。
“他继续说道：”一切也都是关联的。”当设计发生变化时，变化会自动延伸到生成设计几何图形中。这样，我的设计迭代速度就快多了。关于最终格式的优势，丹尼斯说：”多亏了 NX Convergent Bodies，有机结构还可以直接进行进一步处理并发送到 3D 打印机，而无需像其他解决方案那样手动重塑一切。因此，最初看似复杂的东西却让我们的生活变得更加轻松和高效。
设计师们另一个普遍担心的问题是生成设计解决方案的学习曲线。”当我们看到所有的好处时，学习西门子 NX 中的生成设计功能显然是值得的。你只需学习它的方法，通常半天就能掌握。”NX 拓扑优化器易于学习，因为该解决方案已完全集成到 NX 中，因此也可以在熟悉的用户界面中使用”，他继续说。他继续说：”NX 拓扑优化器的行为类似于草图或边缘融合等众所周知的功能，是 NX 零件导航器中的一个元素。请尝试一下，因为观察有机几何体的生长也很有趣。
最后，我问他如何看待 NX 的全面集成。”他说：”这是一个绝对的优势。”生成设计前后的流程步骤提供了最佳和高效的使用。从在 NX Motion 中确定正确的载荷情况进行优化，到最后使用 NX 性能预测器进行简单的设计验证。利用NX Design Space Explorer为您的设置找到最佳位置，利用NX CAM或NX Additive Manufacturing构建准备为您的制造做好几何准备。
摘要
总之，NX 拓扑优化器是构成整个端到端西门子 Xcelerator 产品组合的众多拼图之一，它将重点从传统的设计约束转移到性能驱动的结果上。正如丹尼斯-尼尔（Dennis Nier）所说：”NX 拓扑优化器的生成设计简化了复杂性，使我们的工作生活更轻松、更高效。