Топологическая оптимизация и 3D-печать

Что такое топологическая оптимизация?

Топологическая оптимизация представляет собой инструмент на основе математических методов. Его применяют для улучшения будущих изделий на этапе их проектирования.

Оператор загружает в программу готовую геометрию, вводит информацию об условиях эксплуатации, нагрузках и ограничениях, а также отмечает места, которые не подлежат изменению. Инструмент учитывает данные и предлагает вариант наиболее выгодной компоновки материала.

При использовании топологической оптимизации ставится цель уменьшить вес и увеличить удельную прочность конструкции. Инструмент удаляет лишний материал из областей, которые не должны нести значительные нагрузки, чтобы снизить массу или решить проблемы проектирования.

Результатом топологической оптимизации становится сложная структура — зачастую необычного, футуристического вида. На ее основе формируется поступающая в производство модель изделия. Оптимальный способ изготовления таких моделей — 3D-печать.

Топологическая оптимизация встроена во многие программные продукты для автоматизированного проектирования: Siemens NX, Siemens Solid Edge, Autodesk Fusion и другие.

Отличия от генеративного дизайна

Инструменты для генеративного дизайна включают в себя топологическую оптимизацию, но применение топологической оптимизации не всегда означает, что изделие создано по принципу генеративного дизайна. Основные отличия этих двух технологий:

• топологическая оптимизация применяется, когда исходная геометрия уже существует. Генеративный дизайн — инструмент создания модели с нуля;

• при топологической оптимизации меняется только внешний вид конструкции;

• на результаты топологической оптимизации влияют, прежде всего, физика задачи, а на генеративный дизайн — требования моделлера;

• при топологической оптимизации на выходе получается полигональная сетка, которую необходимо дорабатывать, а при генеративном дизайне CAD-модель.

Преимущества топологической оптимизации

• Снижение затрат. Топологическая оптимизация может сократить расход материалов до 40%, что снижает общую стоимость изделия. Выигрыш в несколько граммов на автомобиль при производстве нескольких миллионов единиц означает экономию тонн материала;

• быстрое проектирование. Компьютерные алгоритмы могут очень быстро составлять и оценивать десятки тысяч комбинаций на основе заданных условий;

• быстрое прототипирование. Сгенерированный программой вариант можно после доработки распечатать на 3D-принтере и протестировать;

• устранение ошибок на этапе проектирования. Топологическая оптимизация учитывает множество переменных и позволяет избежать рискованных решений, которые могут привести к созданию дефектной продукции;

• создание ячеистых и сетчатых структур — очень прочных и одновременно легких;

• возможность объединять несколько деталей в одну;

• гибкость. Топологическая оптимизация позволяет адаптировать геометрию под определенную технологию — как правило, под 3D-печать.

Применение

Топологическая оптимизация лучше всего подходит для приложений, в которых конструкции подвергаются большим нагрузкам и при этом должны стремиться к наименьшей массе.

Автомобиле- и самолетостроение, аэрокосмическая промышленность. Уменьшение массы изделия при сохранении его функционала — важнейшая задача для этих отраслей. Кроме того, топологическая оптимизация помогает найти компромисс между легкостью и деталей и их способностью выдерживать серьезные нагрузки. Топологическую оптимизацию используют для проектирования компонентов космических кораблей и ракет-носителей, кронштейнов, компонентов подвесок и т.д.

Медицина. Топологическая оптимизация предлагает высокий уровень кастомизации, что важно для создания протезов и имплантатов. Оптимизированная жесткость позволяет снизить вероятность резорбции кости — одной из основных причин расшатывания имплантата и высокой вероятности перелома.

Архитектура. Оптимизируя конструкцию, к примеру, колонн и балок, специалисты проектируют здания, требующие меньше затрат на материалы, более энергоэффективные.

Сфера потребительских товаров. Благодаря топологической оптимизации производители могут сократить отходы материалов, снизить производственные затраты и улучшить характеристики продукции. Оптимизацию топологии также можно использовать для разработки прочной и экологичной упаковки.

Идеальная совместимость с 3D-печатью

Топологическая оптимизация дает возможность делать решетки разных размеров, ячеистые структуры с твердой оболочкой и другие сложные конструкции, которые нельзя изготовить стандартными методами. 3D-печать позволяет без дополнительных затрат воспроизводить самые сложные формы и преодолевать разрыв между оптимизацией конструкции и ее физическим воплощением.

3D-печать позволяет быстро изготавливать прототипы для проверки оптимизированных конструкций.

Стоимость 3D-печати продолжает снижаться, в то время как разнообразие материалов увеличивается. Сейчас можно печатать объекты из пластиков, металлов, композитов, песка, бетона и т.д. Такая гибкость позволяет дизайнерам выбирать материалы, наиболее подходящие для конкретного применения.

3D-печать снимает многие ограничения, связанные с традиционными методами производства, например, необходимость в пресс-формах или оснастке. Это позволяет в полной мере использовать преимущества топологической оптимизации.

Кейсы

Ручка переключения коробки передач

При модификации органов управления гоночного автомобиля была заново спроектирована ручка переключения коробки передач. Для этого применили метод топологической оптимизации: компьютер итерационно убирал материал, который не несет нагрузки. В результате удалось вдвое снизить массу ручки, сохранив при этом приемлемую жесткость и прочность.

Мотоцикл Airbus

Компания Airbus в 2016 году представила первый в мире электрический мотоцикл с рамой, напечатанной на 3D-принтере. Благодаря оптимизации конструкция приобрела минимальный вес и прочность, достаточную для регулярных нагрузок.

Инженеры разработали не сплошные, а полые детали, что позволило интегрировать тросы, трубы и точки крепления в окончательную конструкцию. Такая рама не могла быть изготовлена с использованием фрезерования или сварки. Поэтому каждая деталь рамы была напечатана металлом на SLS-принтере и состояла из тысяч слоев толщиной 60 микрон.

Мотоцикл весил всего 35 кг — на 30% меньше, чем аналоги, произведенные традиционным способом.

Протез бедра

Когда имплантат вызывает изменение типичных напряжений на окружающую его кость, возникает явление, называемое защитой от напряжений. Оно увеличивает риск резорбции кости, переломов и ревизионных операций. Топологическая оптимизация помогает разрабатывать имплантаты, которые лучше соответствуют жесткости здоровой кости и повышают комфорт и долговечность протеза.

Компания Altair разработала оптимизированный тазобедренный имплантат с цельной решеткой, точно соответствующий жесткости кости и уменьшающий защиту от напряжений на 57%. Вес изделия уменьшился на 39%. Имплантат был напечатан на 3D-принтере.