A kevesebb több
Talán látott már olyan részeket, mint a fenti képen látható tartó, amelyekről úgy tűnik, hogy a tömegük lecsupaszodik, és csak egy szervesnek tűnő csontváz marad. Ez a megjelenés a topológiaoptimalizálás jellegzetessége, az anyag eltávolításának folyamata a működéshez szükséges minimumra. Az utolsó konzol ugyanolyan erős vagy erősebb, mint az első, de kisebb a súlya és kevesebb anyagot használ fel.
Szinte minden alkatrész, a hidaktól a dohányzóasztalokig, optimalizálható így olyan szoftverrel, amely a legtöbb nehézemelést és számítást elvégzi. A közelmúltig az volt az akadály, hogyan lehet ezeket az összetett formákat előállítani. Egyes esetekben a fémöntés, más esetekben a műanyag fröccsöntés lehetséges, de vannak korlátok. A 3D nyomtatás azonban új ajtókat nyit meg a gyártásban rejlő lehetőségek előtt.
Bár a topológia optimalizálás nem kizárólagos módszer a 3D nyomtatásra, csak a 3D nyomtatás tudja beváltani a hozzá fűzött reményeket; a hagyományos gyártás nem tudja a lehető legjobban kihasználni az általa nyújtott tervezési szabadságot. A topológiaoptimalizálási módszerekből adódó összetett geometriák gyakran csak additív gyártási eljárásokkal állíthatók elő hatékonyan.
Az ipari adalékanyag-gyártás fejlődésével a topológiaoptimalizálás egyre nagyobb figyelmet és alkalmazást kap. Vessünk egy pillantást a módszerre, a szoftverre és a legfontosabb felhasználásokra.
Mi az a topológiaoptimalizálás?
A topológiaoptimalizálás lényegében egy mechanikai alkatrész vagy alkatrész optimalizálásának algoritmikus folyamata, általában anyagcsökkentéssel. Ezt az alkatrészt a normál működése során kifejtett mechanikai igénybevételek alapján számítják ki. A szerkezetoptimalizálás egyik alterületeként is besorolható, és a generatív tervezés szélesebb gyakorlatának is része .
A topológia optimalizálásban természetesen vannak mesterséges intelligencia elemei, de az optimalizált részeket általában nem egy algoritmusból köpik ki. Számos topológiaoptimalizálási módszer létezik, amelyek közül sok a matematikai modellezéshez kapcsolódik.
A topológiaoptimalizálás végeselem-elemzési (FEA) szimulációkat használ annak felmérésére, hogy az objektum mely területei nem strukturálisan döntő fontosságúak. A kezdeti FEA szimulálja egy objektum feszültségeloszlását, amely a felhasználó által bevitt külső erőknek és más kerületeknek van kitéve. Ezekkel az eredményekkel az algoritmusok ellenőrizni tudják, hogy az objektum mely részei vannak kevésbé kitéve a belső feszültségeknek, és ezért potenciálisan eltávolíthatók.
Az algoritmus folyamatosan értékeli a szerkezeti feszültségeloszlást, miközben eltávolítja az anyagot, hogy felmérje az ebből eredő hatásokat. Ez számos egyedi lépésen keresztül történik, amíg stabil geometriákat nem kapunk a beállított terheléseknek és peremfeltételeknek, például helynek és súlynak megfelelően.
A topológiaoptimalizáló eszközöket általában kétfázisú tervezési folyamatban használják. Az első futtatást általában azért hajtják végre, hogy bepillantást nyújtsanak az optimális geometriába, és a lehető legjobb tervezés irányába tereljék a mérnököt. A második menet határozottabb az utolsó rész részletezése szempontjából. Valós használatban azonban a topológia optimalizálás iteratív folyamat.
Egy adott alkatrész optimális kialakítása gyakran nem intuitív, és általában összetett és szerves formákat foglal magában. A topológiaoptimalizáló algoritmusok nem veszik figyelembe az olyan szempontokat, mint az esztétika, és megsérthetik az általános tervezési szabályokat (például az egyenletes vastagságot) a teljesítmény érdekében. A részednek több feltétele vagy célja is lehet a feszültségeken kívül.
A mérnökök tudásukat felhasználva hangolják és módosítják a szerkezetileg optimalizált alkatrészt a tényleges felhasználáshoz és gyárthatósághoz.
Előnyök
A topológia optimalizálását az ipari szektorokban alkalmazzák, de különösen a repülőgépiparban, ahol elengedhetetlen a súlycsökkentés. Ez az építészet, az egészségügy és az autóipar területén tapasztalható, ahol a felhasznált anyagok mennyiségének csökkentése további alkatrész- és termékelőnyöket eredményez.
Minden mechanikai alkatrész vagy alkatrész súlya nagyobb a kelleténél, hacsak nincs topológiailag optimalizálva. A könnyű szerkezetek nemcsak az anyagköltségeket csökkentik, hanem korlátozzák a gyártási erőforrás-felhasználást is. Általánosságban elmondható, hogy a könnyebb mozgó alkatrészek kisebb súrlódást okoznak, és kevesebb energiát igényelnek a mozgásuk. Ráadásul az ellátási lánc is előnyös, mivel a könnyebb alkatrészek szállítása egyszerűbb és olcsóbb.
A 3D nyomtatás csak az alkatrészhez szükséges mennyiségű anyagot használja fel, selejt nélkül, így párosítva az optimalizált tervezéssel és az anyagköltség felére vagy még többre is csökkenhet. Ez különösen értékes előny, ha az alkatrészek költséges anyagokból, például titánból készülnek.
Az optimalizált eredmény 3D-s nyomtatása gyorsabb iterációt és a digitális tervezés megvalósíthatóságának ellenőrzését is lehetővé teszi, még akkor is, ha az alkatrész végül hagyományosan készül.
A topológia optimalizálás alkalmazásai
A topológiaoptimalizálás előnyei ellenére gyakorlati alkalmazása viszonylag alacsony. Ez részben összefügg azzal, hogy a 3D nyomtatás költséghatékony gyártási módszer az egyszeri egyedi alkatrészek és a nagyon kis méretű gyártás, nem pedig a sorozatgyártású alkatrészek esetében. Ahol egyedi alkatrészekre van kereslet, mint például a tér, az egészségügy és az építészet, ott a topológia optimalizálás nagyobb befolyással bír.
Bár számtalan koncepcióalkatrész és tanulmány létezik, az alábbiakban bemutatunk néhány topológiára optimalizált alkatrészt, amelyet a valós problémák megoldására gyártottak, beleértve a súlyt, a költségeket, a sebességet és a hatékonyságot.
TOPOLÓGIA OPTIMALIZÁLÓ SZOFTVER
A topológia optimalizálásával kapcsolatos összes bonyolult számítást speciális szoftveren keresztül hajtják végre, amely vagy egy önálló program, vagy egy számítógéppel támogatott tervezési (CAD) programba integrált modul.
Egészen a közelmúltig a topológiaoptimalizálás csak költséges, professzionális alkalmazásokra szánt szoftvereken keresztül volt elérhető, de az additív gyártás tervezésének és eszközeinek növekedésével a topológiaoptimalizálás több tucat szoftverszolgáltatónál érhető el. Ezek közül több egy nagyobb generatív tervezési eszköztárba van beépítve. Ezeket a lehetőségeket a generatív tervezőszoftverről szóló cikkünkben találja meg.
Altair OptiStruct / Inspire
A topológiaoptimalizálási képességek egyik úttörője az amerikai Altair szoftverkiadó , amely a szimuláció, a nagy teljesítményű számítástechnika és a mesterséges intelligencia területén kínál megoldásokat, néhány igen lenyűgöző topológiaoptimalizáló eszközzel.
Valójában a vállalat Hyperworks számára készült OptiStruct modulja volt az első kereskedelmi forgalomban kapható topológiaoptimalizáló eszköz. 1994-ben indították útjára, és a General Motors Powertrain részlege volt az első vásárlója. Az OptiStruct úttörő szerepet játszott az innovatív optimalizálási technológia fejlesztésében, beleértve az iparágban elsőként működő technológiákat, például a hibamentes topológiát, a többanyagú topológiát és a többmodell-optimalizálást.
Az OptiStruct számos szerkezeti optimalizálási módszert és alapvető gyártási korlátok széles skáláját kínálja a hagyományos eljárásokhoz, a kompozitokhoz és az additív gyártáshoz. Mivel képes több különböző gyártási módszer szabályainak és specifikációinak figyelembevételére és betartására optimalizálni, ideális eszköz a 3D nyomtatás és más módszerek közötti összehasonlításhoz.
Az Altair Inspire számos topológiai lehetőséget kínál, beleértve az optimalizálási célokat, a feszültség- és elmozdulási kényszereket, a gyorsulást, a gravitációt és a hőmérsékleti terhelési feltételeket. Gyors és pontos eszközkészletet biztosít a szelektív lézerolvasztási (SLM) alkatrészek tervezéséhez és folyamatszimulációjához.
nTop 4
Az amerikai nTop szoftvercég (korábbi nevén nTopology) átfogó modellező szoftvercsomagot kínál a tervezők és mérnökök számára, ahol vagy a semmiből megtervezhetnek egy alkatrészt a fejlett gyártáshoz, vagy importálhatnak egy meglévő digitális tervfájlt optimalizálás céljából. Kifejezetten additív gyártáshoz készült, és a név ellenére az nTop nem csak a topológia optimalizálásáról szól. A platform egy sor generatív tervezési eszközt használ a könnyű és optimalizált alkatrészekhez, amelyek beépített funkcionális követelményeikkel rendelkeznek.
A CAD-szoftverben ismert néhány eszköz mellett az nTop eszközkészleteket is kínál, amelyek előre definiált munkafolyamatok gyűjteményei, amelyek lényegében sok mindent automatizálnak, amit a DfAM-szoftvertől szeretne. Az eszközkészletek közé tartoznak a könnyűsúlyozáshoz, a tervezési elemzéshez és a topológia optimalizálásához szükséges eszközök.
Az nTop nemcsak a tervezési adatok előkészítését segíti elő az additív gyártáshoz, hanem lehetővé teszi, hogy közvetlenül kommunikáljon 3D nyomtatóival, így biztosítva, hogy a tervezési szándék a folyamat során fennmaradjon.
Az nTop nem teszi közzé árstruktúráját, de egyenrangú a csúcskategóriás mérnöki szoftverekkel, mint például az Ansys, a Creo és a CATIA.
Autodesk Fusion 360 Netfabbal
Az Inside Fusion 360 , az Autodesk népszerű CAD-eszköze egy generatív tervezési modul topológiaoptimalizálással, amely lehetővé teszi a tervezési lehetőségek felfedezését a súlycsökkentés, a teljesítmény javítása és az alkatrészek összevonására.
A Fusion 360 egy erőteljes szimulációs környezettel is rendelkezik, ahol statikus és termikus igénybevételnek, szerkezeti kihajlásnak és eseményszimulációszerű leesésnek teheti ki a tervezést.
A topológiaoptimalizálás egy lépéssel továbblépése érdekében ott van a Fusion 360 a Netfabb Premium vagy Netfabb Ultimate opcionális modulokkal.
A Netfabb segítségével digitális alkatrészfájlt hozhat létre, és új verziókat hozhat létre, amelyek merevségre és súlyra vannak optimalizálva az alkatrész terhelései és korlátai alapján. Ez a Netfabb optimalizálási segédprogram a 3D részek javítására szolgál két különböző megközelítéssel; rács optimalizálás és topológia optimalizálás. Az Optimization Utility támogatja az Autodesk Nastran FEA solver integrációját, amely egy végeselemes elemző eszköz, amely a szerkezetek és mechanikai alkatrészek lineáris és nemlineáris feszültségeinek, dinamikájának és hőátadási jellemzőinek elemzésére szolgál.
Ansys Discovery
Az Ansys Discovery lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy gyorsan kiértékeljék egy komponens több száz lehetséges alakzatát az interaktív modellezés és a több szimulációs képesség kombinálásával, amelyek topológiaoptimalizálási funkciókat is tartalmaznak. Ansys szerint a Discovery egy 3D szimulációs szoftver topológiaoptimalizálással.
A tervezési korlátok, a terhelési feltételek és a megengedett régiók változtatásával a Discovery olyan terveket tud készíteni, amelyek CAD-kompatibilis modellekké konvertálhatók az additív gyártáshoz. A mérnökök rekordidő alatt felfedezhetik a különféle geometriákat, anyagokat és fizikai bemeneteket, hogy megtalálják termékük optimális topológiáját.
A Discovery lehetővé teszi a kritikus tervezési kérdések megválaszolását a tervezési folyamat korai szakaszában. A szimulációnak ez a kezdeti megközelítése időt és erőfeszítést takarít meg a prototípus-készítés során, mivel több tervezési koncepciót valós időben fedez fel, és nem kell várnia a szimulációs eredményekre.
Siemens NX / Solid Edge
A Siemens NX 2022-ben vezette be a topológiaoptimalizálást NX platformján. A Topológia-optimalizáló segít olyan alkatrészek létrehozásában, amelyek pusztán a funkcionális és tervezési helyigényeken alapulnak, amelyeket szinte lehetetlen lenne manuálisan megtervezni és megtervezni. Ez az automatizálás jelentősen csökkentheti a fejlesztési időt, mivel több iterációt hajt végre az optimális eredmény elérése érdekében, szemben azzal, hogy minden változtatáskor újra le kellene futtatnia a szimulációt.
Az NX Topology Optimizer lehetővé teszi a „mi lett volna, ha” tanulmányokat, amelyek jobb teljesítményt és hatékonyabb tervezést tesznek lehetővé a funkcionális követelmények alapján, mondja a vállalat. Az eredmény egy optimalizált funkció (amely hálóból és analitikus geometriából áll), amely semmiben sem különbözik más tervezési jellemzőktől.
A Siemens Solid Edge CAD program generatív tervezése már régebb óta létezik, és a fejlett topológiaoptimalizálást integrálja a Solid Edge 3D modellező eszközkészletébe, segítve a tervezőket könnyebb alkatrészek létrehozásában és minimálisra csökkentve az anyagpazarlást a későbbi gyártás során. A funkció egy meghatározott anyag szerves, csökkentett tömegű geometriai megoldását állítja elő, meghatározott téren belül optimalizálva, figyelembe véve a megengedett terheléseket és korlátokat.
Dassault Systèmes Solidworks
A jól ismert szoftvergyártó, a Dassault Systèmes által készített Inside Solidworks egy szimulációs eszköz, amely magában foglalja a topológia optimalizálását.
A Solidworks topológiaoptimalizálása lehetővé teszi, hogy kisebb, könnyebb súlyú alkatrészeket hozzon létre, és ezeket az alkatrészeket additív vagy kivonó gyártáshoz optimalizálja. Ez az egyik legautomatizáltabb megoldás, amely gondoskodik az eredmények összekapcsolásáról és utófeldolgozásáról. Mindössze annyit kell tennie, hogy megadja a terv ismert adatait, beleértve a tervezési terület méretét, az alkalmazott terheléseket, a kényszereket, a peremfeltételeket és a tervezett gyártási módszert.
A Solidworks a háttérben végzi el a topológiaoptimalizálási számításait, így Ön szabadon folytathatja a munkát. Ez fontos előny, mivel a korábbi topológiaoptimalizálási megközelítések lassúak és számítási erőforrás-igényesek voltak, átvették a számítógépes munkaállomásokat, és megakadályozták, hogy a felhasználók sok mást tegyenek, amíg a megoldás be nem fejeződik.
Azáltal, hogy automatikusan generál geometriákat, amelyek figyelembe veszik a konkrét tervezési helyet, a teljesítménykövetelményeket és a gyártási szempontokat, a Solidworks CAD-be integrált topológiaoptimalizálás segíthet az optimális tervezés elkészítésében és a legjobb gyártási eszközök kiválasztásában a folyamat korai szakaszában.
A Solidworks mellett a Dassault Systemes két topológiaoptimalizáló modult kínál Simulia szimulációs alkalmazásaihoz. A Tosca Structure a végeselem-elemzésen (FEA) alapuló szerkezeti optimalizálásra szolgál, az Abaqus Topology Optimization Module (ATOM) pedig topológia- és alakoptimalizálást biztosít egyedi alkatrészekhez és összeállításokhoz.
Creo
A Creo a PTC 3D CAD szoftvere a termékinnovációhoz. Támogatja a generatív tervezést, a kiterjesztett valóságot (AR), a szimulációkat, az additív gyártást és az IoT-t a jobb minőségű termékek gyorsabb munkafolyamatai érdekében. A Creo generatív tervezési képességén belül megtalálható a topológia optimalizálás, amely összekapcsolja a digitális tervezést a tervezéssel, majd a gyártással.
A Creo a Generative Topology Optimization bővítménnyel érkezik, amely lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy optimalizálják a tervezést a gyártáshoz különböző megszorítások alapján. Ez nem csak egy modellező eszköz; egy lépéssel tovább lép a szimulációvezérelt tervezés felé az Ansys Powered Simulation in Creo segítségével. A folyamat valós idejű elemzést tesz lehetővé a szerkezeti, modális, termikus és folyadékáramlások tekintetében.
Eredeti forrás: All3dp.com
