以拓扑优化和滑板支架颠覆未来设计

说到玩滑板，空中翻转和抓板都是很酷的花样，相形之下长板速降完全是癫狂出世。长板速降玩家结合滑板和冲浪动作，时速可超过144公里，极限拼速会让人的肾上腺素狂飙。显然，对于这些热血速降玩家来说，保证轮子不脱落是一件绝对要紧的事。

所谓“支架”就是板面下方的那个轮子附在其上的部件。支架由轴承、避震器和螺钉组成，连接轮子和板面，它让玩家能够通过重量变化、倾侧和对滑板的行程作出反应来进行必要的控制。 至少可以说，支架是滑板的一个非常重要的组件。

现在，由于拓扑优化和金属增材制造的问世，就像飞机零件、家具和许多其他现代物品一样，滑板支架即将发生变化。

精密工程系学生和滑板速降玩家Philipp Manger将专业知识运用到滑板支架上，用他自己的话说，是源于这么一个想法：“支架是我唯一从未制作过的滑板部件，它也非常适合尝试这类新技术。”这个称为TOST（拓扑优化滑板支架）的项目特别适合长板速降。传统的滑板支架设计适合在街上玩的滑板，而反向主桥钉支架则更适合长板和高速滑板。

Manger来自德国，在工程领域拥有超过15年的经验。作为一位技术产品设计师，他学着将CAD和3D设计用于迷你库柏（Mini Cooper）的操纵杆，还有许多其他项目。

汽车设计的经历帮Manger解决了滑板的重新设计问题。 他说，“这些经历让我做了很多准备。无论你具体做的是什么，毕竟都是工程。为汽车设计零件跟设计滑板的区别并不大——都是设计。我有机会学到了很多设计方面的东西，包括所谓的参数化构造或参数化建模。我尝试了很多不同的CAD工具，非常实用。”

在离开汽车行业到德国耶拿应用科学大学学习精密工程之后，Manger“爱上了”衍生式设计以及其他设计优化技术和增材制造。

在重新设计主桥钉支架时，Manger使用了欧特克 Fusion 360和Netfabb来协助优化。Manger为实现相同（或更高）的刚度并降低总重量设定了参数约束，软件相应地算出优化的晶格结构。晶格设计的灵感来自大自然，其骨状的精致结构看起来像是已经进化了数百万年。重量、性能和强度方面的改进在航空航天等行业中很重要，但滑板并没那么重——那么拓扑优化的滑板支架又能提供什么样的性能呢？

Manger说，“就滑板速降而言，要从每小时80公里的速度试图停下，五公斤重的滑板会比三、四公斤的滑板更难做到，这就可以看出减轻支架重量带来的好处。”另外，他也考虑到了整个滑板体验而不仅是其中有趣的部分，因为长板滑手在玩速降之前需要走上很长的山坡，减轻滑板重量更便于携带。

以激光复制自然

大多数传统的滑板支架都是铝制的。Manger用的是较重的钛，但因为晶格形状所需的材料要少得多，这使得支架变得轻很多。他说，“钛的密度几乎是铝的两倍，所以这是一个挑战。不过最重大的变化是，支架上部的移动部件——称为T型架（hanger）——通常是一个里面有个钢轴的铝质脚轮，而我的两种T型架设计都由一个部件制成，轴也都是空心的，晶格在轴内。”

Manger将这一过程称为“将有机形式与晶格结构相结合的混合设计”，令人想起生物学课上的切面解剖。先想想一副鸟的骨架，然后深入骨骼的内部。鸟类的骨骼几乎完全是空心的，而不是固体，这是数百万年进化的结果。它们包含复杂的晶格，以尽可能少的材料提供结构完整性，这样可以确保低质量，而低质量是飞行的先决条件。正如Manger向潜在合作伙伴展示的那样，TOST项目背后的理念确实是意图“复制自然”

许多拓扑优化的部件，比如Manger的支架，不可能按传统方法制造出来。铣削或铸造技术不具备在大量细微的材料中去除其中一部分的技巧。TOST项目原型中的所有晶格梁都不到1毫米宽，这就排除了使用传统制造方法的可能性，同时也为该项目带来了巨大的飞跃。Manger说，“我们的目标是研究金属增材制造的极限——特征的最小尺寸。”

因为这个原因，找到合适的制造合作伙伴显得至关重要。Manger找到了著名的德国生产技术研发机构Fraunhofer IWU。Manger说，“这家研究所的重点是金属增材制造和其他轻量化设计，因此堪称完美的合作伙伴。我很高兴找到这样一个大型机构合作，他们允许我使用其建筑和制造设施，特别是称为GE Con​​cept Laser M2的激光束熔化机。这台机器教给了我很多技术诀窍。”

酷意味着实用

筛选合作伙伴、收集和综合数据以及设计的过程对于Manger来说是一个最理想的工作，比他想象的还要好，并且只有一次不顺利的经历。他说，“建造过程中我们只经历过一次失败，但支架第一次尝试就成功了，可见这个软件有多出色。我一开始就做好了分析，为制造过程做好了准备。”

到目前为止，Manger还没有将未来派新型滑板支架商业化的正式计划。它与传统支架制造相比还不具备经济竞争力（Manger表示还需要几年的时间才能在这方面有足够进展）。此外，TOST项目的目标一开始就定位在概念验证上。

他说从几个方面可以看出该项目已取得成果：他已经建立了一些行业联系；有些公司对该技术显示了兴趣；该项目引起了人们的关注；他在贸易展览和会议上获得了大量奖项。

他说，“这个项目并非真正关乎造滑板支架，更多的是为金属增材制造寻找轻量化设计的新方法。TOST项目展示了有机形式和晶格结构相结合的新思路。滑板支架恰好起到了人人都能理解的示范作用。”