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.

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.

Další články

Jak inovovat díl? Zapojte aditivní myšlení, radí docent Paloušek
Akce a konference AM Akademie

Jak inovovat díl? Zapojte aditivní myšlení, radí docent Paloušek

21. června 2022

Co znamená myslet aditivně a jak takové myšlení vypadá v praxi? Podívejte se na záznam přednášky z Aditivního fóra 2021. „Aditivní myšlení vám umožní posunout se od otázky…

ONE3D lab pomáhá s řízením kvality a vývoje v aditivní výrobě
Firemní kultura Rosteme společně

ONE3D lab pomáhá s řízením kvality a vývoje v aditivní výrobě

01. června 2022

3D tisk je často spojován především s prototypovou výrobou. Stačí přidat slovo „průmyslový“ a kola inovace se dají do pohybu. Průmyslový 3D tisk – nebo-li „aditivní výroba“…

Rozšíření výrobních kapacit
Rosteme společně

Rozšíření výrobních kapacit

02. dubna 2017

Další stroj P396!! K 1. dubnu 2017 jsme rozšířili výrobní kapacity technologie SLS, náš strojový park se rozrostl o další špičkový SLS stroj P396 od německé firmy EOS.…

Včely, slunce, koupání a 95 % recyklace. Vytváříme místo, kde je příroda rovnocenný partner
Firemní kultura

Včely, slunce, koupání a 95 % recyklace. Vytváříme místo, kde je příroda rovnocenný partner

22. března 2022

Minimum odpadu z výroby, fotovoltaika, biotop, zelená střecha nebo včelí úly. Jak přistoupit k odpovědnosti vůči životnímu prostředí? Načerpejte inspiraci. Aditivní odpady a jejich dopady Žádná výroba se…

Největší quad-laserová mašina v ČR!
Rosteme společně

Největší quad-laserová mašina v ČR!

15. srpna 2021

Největší quad-laserová mašina v ČR je ready!! Čtyř laserový stroj EOS M400-4 pro aditivní výrobu z kovových materiálů je na svém místě u nás v Mohelnici. Konečně můžeme nabídnout…

Nenechte si uniknout aditivní novinky

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

Translate »