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.
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 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.
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
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.
