Как оптимизация топологии и 3D-печать открывают новые возможности дизайна

Сегодня аддитивное производство (AM) предлагает беспрецедентные возможности для проектирования и производства функциональных деталей. Однако, чтобы полностью использовать сложность конструкции, предлагаемую технологией, необходимо программное обеспечение для проектирования, такое как оптимизация топологии.

Оптимизация топологии делает возможным производство более прочных и легких деталей. В сегодняшней статье мы рассмотрим, как оптимизация топологии в сочетании с 3D-печатью может помочь инженерам переосмыслить свой подход к проектированию и производству деталей.

Что такое оптимизация топологии?

Оптимизация топологии - это метод генеративного проектирования, который оптимизирует геометрию объекта с помощью математических вычислений.

Процесс оптимизации формы детали начинается с определения «проектного пространства», которое представляет собой максимальный объем, который может занимать деталь. Затем программа анализирует форму на основе нескольких требований, таких как нагрузка, деформация, ограничения жесткости и граничные условия.

Это позволяет программному обеспечению определять области, где материал может быть удален без ущерба для функции или производительности детали.

Таким образом, оптимизация топологии помогает создать наилучшую возможную структуру данной детали.

Преимущества оптимизации топологии

Более быстрый процесс проектирования

Программное обеспечение для оптимизации топологии помогает ускорить процесс разработки и проектирования деталей за счет автоматического повторения проекта до тех пор, пока не будет создана оптимизированная геометрия.

Учет требований к производительности в проекте с самого начала и автоматизации процесса создания дизайна позволяет значительно быстрее создавать инновационный дизайн, что в конечном итоге ускоряет цикл проектирования.

Более легкие и прочные детали

Возможно, самым большим преимуществом использования оптимизации топологии является возможность повысить производительность детали за счет уменьшения ее веса и оптимизации ее прочности.

Добавляя или удаляя материал в местах, определенных набором параметров, инструменты оптимизации топологии позволяют инженерам исследовать бесконечное количество вариантов дизайна и находить наилучшую возможную легкую, но надежную структуру данной детали. .

Более легкие детали востребованы во многих отраслях промышленности. В аэрокосмической сфере, например, легкие компоненты могут значительно снизить расход топлива самолета, а в автоспорте они могут радикально улучшить характеристики гоночного автомобиля.

Кроме того, чем легче деталь, тем меньше материала было использовано для ее производства. , что снижает производственные затраты.

Сочетание оптимизации топологии и 3D-печати

Традиционные производственные подходы часто ограничены в возможности создания топологически оптимизированных конструкций. Такие конструкции часто имеют сложные формы, изготовление которых с помощью механической обработки или литья под давлением, как правило, невозможно или дорого обходится.

С другой стороны, 3D-печать позволяет создавать сложные формы без дополнительных затрат на сложность. Это делает 3D-печать лучшей технологией для максимально эффективного использования топологически оптимизированных дизайнов.

Оптимизация топологии на практике

Комбинированное использование оптимизации топологии и 3D-печати можно найти в таких отраслях, как автомобильная, аэрокосмическая и медицинская.

Аэрокосмическая промышленность

Aerospace является одним из ведущих приверженцев топологически оптимизированной конструкции благодаря преимуществам создания легких деталей, уменьшенных опорных конструкций и сохраненной прочности производимых деталей.

Оптимизированные и аддитивно изготовленные компоненты оказываются очень ценными для сокращения затрат на запуск спутников и космических аппаратов.

Хорошим примером является компания STELIA Aerospace, производящая авиационные конструкции, которая использовала оптимизацию топологии для производства панелей фюзеляжа самолетов.

Благодаря оптимизации топологии конструкторы и инженеры STELIA смогли создать более прочные панели фюзеляжа самолета с повышенной стабильностью. Кроме того, имеется дополнительное экологическое преимущество:конструкция с оптимизированной топологией приводит к сокращению материальных отходов.

Медицина

Еще одна отрасль, в которой выигрывают от оптимизации топологии, - это медицина. Функционально оптимизированные структуры открывают новые возможности для производства имплантатов, имитирующих жесткость и плотность костей пациента.

В недавнем примере ИТ-компания Altair объединила программное обеспечение для 3D-печати и оптимизации топологии для создания улучшенного имплантата бедренной ножки.

Путем ввода таких параметров, как размер, вес и ожидаемая нагрузка, которую имплант будет нести, было использовано программное обеспечение для оптимизации топологии, чтобы создать новую конструкцию имплантата бедра. Оптимизированная конструкция распределяет напряжение и деформацию более эффективно, чем обычный имплант.

Кроме того, программа оптимизации топологии помогла определить, где материал можно заменить решетчатыми структурами, чтобы сделать имплантат легче.

При тестировании оптимизированный имплант показал предел выносливости, увеличенный примерно до 10 миллионов циклов. Это означает, что имплантат бедра может выдержать пробежку из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк и обратно - дважды.

Автомобильная промышленность

В 2018 году BMW выпустила свой культовый автомобиль i8 Roadster с отмеченным наградами металлическим кронштейном для крыши, напечатанным на 3D-принтере.

Кронштейн крыши, небольшой компонент, который помогает складывать и раскладывать верх автомобиля, потребовал новой конструкции, чтобы максимально повысить эффективность механизма складывания крыши. Для достижения этой цели инженеры BMW объединили 3D-печать с программным обеспечением для оптимизации топологии.

Используя программное обеспечение, инженеры смогли ввести такие параметры, как вес, размер компонента и нагрузка, которую он будет принимать. Затем программа создала проект, который оптимизировал распределение материала детали.

Дизайн, созданный командой инженеров, невозможно было отлить. Команда обнаружила, что единственный способ реализовать этот дизайн - это 3D-печать металлом.

Благодаря технологии селективной лазерной плавки (SLM) инженеры создали металлический кронштейн для крыши, который в 10 раз жестче и на 44% легче, чем традиционный вариант.

Примеры программного обеспечения для оптимизации топологии для 3D-печати

Многие ИТ-компании, предоставляющие программное обеспечение для проектирования и моделирования для 3D-печати, также разрабатывают проектные решения с возможностями оптимизации топологии. В этом разделе мы рассмотрим некоторые из многообещающих предложений по оптимизации топологии для 3D-печати. ​​

Альтаир Вдохновение

Altair - глобальная технологическая компания, которая предоставляет программное обеспечение и облачные решения в области разработки продуктов, высокопроизводительных вычислений и анализа данных.

Возможности

Altair Inspire предлагает ряд вариантов топологии, включая цели оптимизации, ограничения напряжения и смещения, ускорение, гравитацию и температурные условия нагрузки.

Программа оптимизации топологии также учитывает ограничения производственного процесса. Например, он позволяет проектировать AM с элементами управления формой выступа, чтобы уменьшить выступы и создать более самонесущие конструкции.

Ansys Mechanical

ANSYS - поставщик программного обеспечения для моделирования и инструментов проектирования для машиностроения. ANSYS предоставляет разработчикам автоматизированный инструмент оптимизации топологии, интегрированный с полным набором мультифизического программного обеспечения.

Возможности

Оптимизация топологии в Ansys Mechanical позволяет учитывать множественные статические нагрузки в сочетании с оптимизацией собственных частот (модальный анализ), а также удовлетворять требованиям к минимальной толщине материала. В дополнение к этому, программное обеспечение предназначено для простой проверки результатов оптимизации, что ускоряет процесс проектирования.

Параметры CogniCAD

В области дизайна и программного обеспечения САПР также есть несколько стартапов, надеющихся изменить рынок. ParaMatters, основанная в 2016 году, разработала программное обеспечение для генеративного дизайна CogniCAD.

Что он умеет

Сообщается, что CogniCAD предлагает высокоавтоматизированный рабочий процесс, основанный на оптимизации топологии собственной разработки, анализе методом конечных элементов с высоким разрешением и вычислительной геометрии.

Он обеспечивает множество условий загрузки, цели и ограничения дизайна, которые помогают обеспечить пригодность дизайна для 3D-печати.

nTopology nTop Platform

Компания nTopology, основанная в 2015 году, предлагает программное обеспечение для проектирования. В мае прошлого года компания выпустила свое программное обеспечение для проектирования Element, которое предоставляет инструменты для анализа конструкции, облегчения и оптимизации.

Что он умеет

Что касается инструмента оптимизации топологии, nTop Platform позволяет пользователям применять несколько условий нагрузки и оптимизировать для различных критериев производительности, включая напряжение, смещение и жесткость.

После оптимизации проекта инструмент позволяет автоматически преобразовывать результаты оптимизации топологии в редактируемую геометрию. По заявлению компании, это может сэкономить ваше время и усилия, обеспечивая быстрый и повторяемый процесс без необходимости восстановления геометрии вручную.

Оптимизация топологии:новый подход к проектированию

Программное обеспечение для оптимизации топологии AM добилось значительного прогресса за последние несколько лет. И крупные софтверные компании, и стартапы разрабатывают передовые решения, расширяющие границы дизайна для 3D-печати.

Благодаря этим достижениям компании в различных отраслях теперь могут воспользоваться преимуществами большей свободы проектирования, более быстрых циклов проектирования и улучшенных характеристик деталей.

Двигаясь в будущее, возможности программного обеспечения оптимизации топологии для AM будут продолжать развиваться, открывая новые мощные возможности.