AM Akademie

Topologická optimalizace a generativní design

26. září 2021 Topologická optimalizace a generativní design

Prudký rozvoj digitalizace si žádá pokrok ve všech odvětvích, a ne jinak je tomu i při vývoji koncových dílů. S rozvojem výpočetní techniky a výrobních technologií se otevírají nové možnosti pro konstruktéry. Extrémní nároky na pevnost, redukci materiálu, hmotnost, modální vlastnosti ale i cenu, lze plnit například díky topologické optimalizaci.

Topologická optimalizace a generativní design

Co je topologická optimalizace?

Jde o metodu optimalizace tvaru využívající výpočetní algoritmy k rozložení hmoty v uživatelsky definované oblasti vzhledem k daným okrajovým podmínkám (vazby, působící síly a tlaky, volba materiálu, limity vlastní frekvence atd.). Topologická optimalizace dokáže maximalizovat výkon dílu odebráním nepotřebné hmoty z oblastí, kde nedochází k přenosu signifikantních zatížení. Takto lze extrémně redukovat hmotnost nebo řešit problémy s rezonancí či teplotním namáháním.

Výsledkem je často organický tvar téměř nevyrobitelný konvenčními technologiemi. Na druhou stranu je tato metoda odlehčení dílu perfektní volbou v kombinaci s aditivní výrobou, která dokáže vyrobit tyto komplikované tvary bez větších problémů a zvýšených nákladů.

Topologická optimalizace a generativní design

Topologická optimalizace vs. Generativní design

Topologická optimalizace potřebuje na vstupu již navržený díl, který se bude na základě okrajových podmínek a zatížení optimalizovat. To znamená, že je potřebná interakce zkušeného konstruktéra, což ale omezuje výpočetní software.

Generativní design posouvá myšlenku topologické optimalizace o krok dále tím, že redukuje požadavek na počáteční tvar dílu, čímž částečně nahrazuje úlohu a čas konstruktéra. Výstupem z některých softwarů může být dokonce několik variant najednou a možnost přímo exportovat do editovatelného modelu s obecnými plochami.

Topologická optimalizace a generativní design

Výhody optimalizace dílu

Konstruktéři často potřebují pádný důvod, aby se odklonili od klasické konstrukční činnosti nebo zaběhlých výrobních metod. Výrobci nemají důvod ke změně, pokud nový návrh neušetří náklady, čas nebo nebude pracovat lépe.

Snížení nákladů

Tvarově komplexní díly jsou často složitě vyrobitelné pomocí konvenčních technologií, což extrémně zvyšuje náklady na výrobu, zatímco využití aditivních technologií eliminuje toto navyšování nákladů na základě tvarové náročnosti.

Mnohdy ovšem nemohou optimalizované díly cenou přímo konkurovat jejím neoptimalizovaným, tradičně vyráběným protějškům. Je třeba si ale uvědomit, že optimalizace návrhu může redukovat cenu i nepřímo, například:

  • Úspora paliva nebo prodloužení životnosti díky nižším nárokům na rozpohybování lehčích dílů
  • Úspora hmotnosti a velikosti a tím snížení nákladů na transport dílů
  • Rychlejší manipulace manuálně nebo pomocí robotů na výrobní lince díky snížení hmotnosti

Topologická optimalizace a generativní design

Řešení konstrukčních problémů

Topologická optimalizace může řešit nejenom úsporu hmotnosti a nákladů, ale i ostatní konstrukční problémy, například:

  • Snížení nebo eliminace vibrací díky optimalizaci tvaru a tím snížení mechanického namáhání, opotřebení a dalších nežádoucích efektů, způsobených vibracemi
  • Návrh extrémně účinného chladiče s ohledem na zástavbový prostor pomocí komplexních tvarových ploch
  • Optimalizace dílů pro letecký průmysl, které musí mít co nejnižší hmotnost, ale zároveň na ně působí extrémní síly, momenty a teploty.

Díky topologické optimalizaci můžeme vyřešit tyto problémy a najít optimální rovnováhu mezi všemi zadanými požadavky.

Úspora času

Stejně jako aditivní výroba dokáže produkovat komplexní díly velice rychle, tak topologická optimalizace šetří čas konstruktéra, a navíc dokáže vyprodukovat návrh, který by konstruktérovy zabral enormní množství času na návrh, výrobu, testování a úpravu prototypu. Zatímco výpočetní software analyzuje a optimalizuje návrh, konstruktér se může soustředit na ostatní fáze projektu.

Menší zatížení životního prostředí

Lehčí  díl znamená lehčí letadlo a lehčí letadlo znamená méně spáleného paliva a tím pádem nejenom úspora nákladů, ale i menší zatížení životního prostředí. Podobně platí i pro elektromobily a úsporu hmotnosti pro více baterií. Optimalizovaný díl také klade menší nároky na množství vstupního materiálu v kombinaci s aditivní výrobou, což přináší méně odpadního materiálu.

Oblasti využití optimalizovaných dílů

Letecký průmysl

Nutnost extrémního odlehčení dílů pro letecký průmysl je jednou z nejčastějších oblastí využití topologické optimalizace. Ne nadarmo se říká, že každý gram letadla má cenu zlata.

Automobilní průmysl

V automobilním průmyslu jde o dva směry, ve kterých se optimalizace dá využít. Jde o maximální snížení spotřeby a o maximální zvýšení výkonu. Oba směry se snaží najít tu správnou rovnováhu mezi hmotností a tuhostí.

Topologická optimalizace a generativní design

Další články

ONE3D Group a skupina QPAG vstupují <br>do Spacemanic. Společně vytvoří silnou průmyslovou skupinu pro vesmírný průmysl
Rosteme společně

ONE3D Group a skupina QPAG vstupují
do Spacemanic. Společně vytvoří silnou průmyslovou skupinu pro vesmírný průmysl

01. července 2025

Olomouc/Praha, 1. července 2025 Společnosti ONE3D Group a.s. a QPAG s.r.o. majetkově vstupují do společnosti Spacemanic CZ s.r.o., předního evropského vývojáře nanosatelitů a kosmických technologií. Tato strategická aliance…

Vstupujeme do oblasti civilního letectví: Podepsali jsme memorandum s BELL Flight
Rosteme společně

Vstupujeme do oblasti civilního letectví: Podepsali jsme memorandum s BELL Flight

07. dubna 2025

Praha, 3. dubna 2025 Po úspěšném startu projektu s Lockheed Martin v programu F-35 s potěšením oznamujeme, že společnost ONE3D dosáhla dalšího významného milníku. Podepsali jsme memorandum o porozumění (MoU)…

Stáváme se vývojovým partnerem v programu F-35
Rosteme společně

Stáváme se vývojovým partnerem v programu F-35

22. května 2024

Praha 21. 5. 2024 Konsorcium českých společností PBS, ONE3D, Centrum HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR a americké Lockheed Martin zahajují vývojovou spolupráci Konsorcium složené ze tří českých společností…

Mechanické vlastnosti v tahu po chemickém vyhlazování
AM Akademie

Mechanické vlastnosti v tahu po chemickém vyhlazování

12. února 2021

Chemické vyhlazování aditivně vyráběných polymerů umožňuje snížení drsnosti povrchu. Výsledná drsnost je přibližně 3x nižší jako před vyhlazováním (viz článek). Nižší drsnost povrchu se sebou…

Nová firemní identita
Firemní kultura

Nová firemní identita

01. července 2021

Dnes poprvé používáme nové logo. Dnes spouštíme nový web. Dnes začíná naše nová mise. 3D nás provází životem už 6 let. Za tu dobu jsme…

Nenechte si uniknout aditivní novinky

Jednou za 3 měsíce aktuální články, nové případovky a zprávy z oboru.
Přihlaste se k odběru!