Hoe topologie-optimalisatie en 3D-printen nieuwe ontwerpmogelijkheden ontsluiten

Tegenwoordig biedt additive manufacturing (AM) ongekende mogelijkheden voor het ontwerpen en produceren van functionele onderdelen. Om de ontwerpcomplexiteit die de technologie biedt, volledig te benutten, is echter ontwerpsoftware nodig, zoals topologie-optimalisatie.

Topologie-optimalisatie maakt de productie van sterkere, lichtgewicht onderdelen mogelijk. In het artikel van vandaag wordt onderzocht hoe topologie-optimalisatie, in combinatie met 3D-printen, ingenieurs kan helpen hun benadering van het ontwerpen en produceren van onderdelen opnieuw uit te vinden.

Wat is topologie-optimalisatie?

Topologie-optimalisatie is een generatieve ontwerptechniek die de geometrie van een object optimaliseert met behulp van wiskundige berekeningen.

Het proces van het optimaliseren van de vorm van een onderdeel begint met het definiëren van de "ontwerpruimte" die het maximale volume vertegenwoordigt dat een onderdeel kan innemen. Vervolgens analyseert de software de vorm op basis van verschillende vereisten, zoals belasting, vervorming, stijfheidsbeperkingen en randvoorwaarden.

Hierdoor kan de software gebieden identificeren waar het materiaal kan worden verwijderd zonder de functie of prestaties van het onderdeel op te offeren.

Op deze manier helpt topologie-optimalisatie om de best mogelijke structuur van een bepaald onderdeel te creëren.

De voordelen van topologie-optimalisatie

Een sneller ontwerpproces 

Topologie-optimalisatiesoftware helpt het onderdeelontwikkelings- en ontwerpproces te versnellen door het ontwerp automatisch te herhalen totdat het een geoptimaliseerde geometrie creëert.

Door vanaf het begin prestatie-eisen in het ontwerp mee te nemen en het proces voor het genereren van ontwerpen te automatiseren, is het mogelijk om veel sneller met een innovatief ontwerp te komen, waardoor uiteindelijk de ontwerpcyclus wordt versneld.

Lichtere en sterkere onderdelen 

Misschien is het grootste voordeel van het gebruik van topologie-optimalisatie de mogelijkheid om de prestaties van onderdelen te verbeteren door het gewicht te verminderen en de sterkte te optimaliseren.

Door het materiaal op plaatsen toe te voegen of te verwijderen, gedefinieerd door een reeks parameters, stellen topologie-optimalisatietools ingenieurs in staat om eindeloze ontwerpopties te verkennen en de best mogelijke lichtgewicht, maar toch veerkrachtige structuur van een bepaald onderdeel te vinden .

Lichtere onderdelen zijn gewild bij veel industrieën. In de lucht- en ruimtevaart kunnen lichtgewicht componenten bijvoorbeeld het brandstofverbruik van vliegtuigen aanzienlijk verminderen, terwijl ze in de autosport de prestaties van raceauto's radicaal kunnen verbeteren.

Bovendien geldt:hoe lichter het onderdeel, hoe minder materiaal er is gebruikt om het te produceren , wat de productiekosten verlaagt.

Topologie-optimalisatie en 3D-printen combineren 

Traditionele fabricagebenaderingen zijn vaak beperkt in hun vermogen om topologisch geoptimaliseerde ontwerpen te produceren. Dergelijke ontwerpen hebben vaak complexe vormen, die meestal niet of niet te duur zijn om te produceren met behulp van machinale bewerking of spuitgieten.

3D-printen daarentegen is in staat om ingewikkelde vormen te produceren zonder de extra kosten voor complexiteit. Dit maakt 3D-printen de beste technologie om topologisch geoptimaliseerde ontwerpen optimaal te benutten.

Topologie-optimalisatie in de praktijk 

Het gecombineerde gebruik van topologie-optimalisatie en 3D-printen is te vinden in industrieën zoals de automobielindustrie, de luchtvaart en de medische sector.

Lucht- en ruimtevaart

De lucht- en ruimtevaart is een van de grootste gebruikers van topologisch geoptimaliseerde ontwerpen, dankzij de voordelen van het creëren van lichtgewicht onderdelen, verminderde ondersteuningsstructuren en behoud van de sterkte van de geproduceerde onderdelen.

Geoptimaliseerde en additief vervaardigde componenten blijken zeer waardevol te zijn bij het verlagen van de kosten voor het lanceren van satellieten en ruimtevoertuigen.

Een goed voorbeeld is dat van vliegtuigbouwer STELIA Aerospace, dat topologie-optimalisatie heeft gebruikt om vliegtuigromppanelen te produceren.

Dankzij topologie-optimalisatie zijn ontwerpers en ingenieurs van STELIA in staat geweest om sterkere vliegtuigromppanelen te maken, met verbeterde stabiliteit. Er is ook een extra ecologisch voordeel:het voor topologie geoptimaliseerde ontwerp leidt tot minder materiaalverspilling.

Medisch

Een andere bedrijfstak die kan profiteren van topologie-optimalisatie is de medische sector. Functioneel geoptimaliseerde structuren openen nieuwe mogelijkheden voor de productie van implantaten die de botstijfheid en dichtheid van een patiënt nabootsen.

In een recent voorbeeld hiervan combineerde IT-bedrijf Altair software voor 3D-printen en topologie-optimalisatie om een ​​verbeterd heupstamimplantaat te creëren.

Door parameters zoals grootte, gewicht en de verwachte belasting van het implantaat in te voeren, werd topologie-optimalisatiesoftware gebruikt om een ​​nieuw ontwerp voor een heupimplantaat te maken. Het geoptimaliseerde ontwerp verdeelt stress en spanning op een efficiëntere manier dan een generiek implantaat.

Bovendien hielp topologie-optimalisatiesoftware om te bepalen waar het materiaal kon worden vervangen door roosterstructuren om het implantaat lichter te maken.

Tijdens het testen bood het geoptimaliseerde implantaat een uithoudingsvermogen dat opliep tot ongeveer 10 miljoen cycli. Dit betekent dat het heupimplantaat twee keer van Los Angeles naar New York en weer terug kan joggen.

Automotive

In 2018 bracht BMW zijn iconische i8 Roadster-auto uit, met een bekroonde 3D-geprinte metalen dakbeugel.

De dakbeugel, een klein onderdeel dat helpt bij het in- en uitklappen van de bovenkant van de auto, vereiste een nieuw ontwerp om de prestaties van het dakvouwmechanisme te maximaliseren. Om dit doel te bereiken, combineerden de ingenieurs van BMW 3D-printen met software voor topologie-optimalisatie.

Met behulp van de software konden ingenieurs parameters invoeren zoals het gewicht, de grootte van het onderdeel en de belasting die het zal dragen. De software genereerde vervolgens een ontwerp dat de materiaalverdeling van het onderdeel optimaliseerde.

Het ontwerp van het engineeringteam was onmogelijk te gieten. Het team ontdekte dat de enige manier om dit ontwerp mogelijk te maken, was door middel van 3D-printen van metaal.

Dankzij Selective Laser Melting (SLM)-technologie hebben ingenieurs een metalen dakbeugel gemaakt die 10 keer stijver en 44 procent lichter is dan het conventionele alternatief.

Voorbeelden van software voor topologie-optimalisatie voor 3D-printen  

Veel IT-bedrijven die ontwerp- en simulatiesoftware voor 3D-printen leveren, ontwikkelen ook ontwerpoplossingen met mogelijkheden voor topologie-optimalisatie. In dit gedeelte bekijken we enkele van de veelbelovende aanbiedingen op het gebied van topologie-optimalisatie voor 3D-printen.

Altair Inspire

Altair is een wereldwijd technologiebedrijf dat software en cloudoplossingen levert op het gebied van productontwikkeling, high-performance computing en data-analyse.

Wat het kan doen

Altair Inspire biedt een aantal topologie-opties, waaronder optimalisatiedoelstellingen, spannings- en verplaatsingsbeperkingen, acceleratie-, zwaartekracht- en temperatuurbelastingscondities.

De software voor topologie-optimalisatie houdt ook rekening met de beperkingen van het productieproces. Het maakt bijvoorbeeld ontwerp voor AM mogelijk met overhangvormbedieningen om overhangen te verminderen om meer zelfdragende constructies te creëren.

Ansys Mechanisch

ANSYS is een leverancier van simulatiesoftware en ontwerptools voor de machinebouw. ANSYS biedt ontwerpers een geautomatiseerde tool voor topologie-optimalisatie die is geïntegreerd met de volledige suite van multiphysics-software.

Wat het kan doen

Topologie-optimalisatie in Ansys Mechanical stelt u in staat om rekening te houden met meerdere statische belastingen in combinatie met optimalisatie voor natuurlijke frequenties (modale analyse), en om te voldoen aan de vereisten voor minimale materiaaldikte. Daarnaast is de software ontworpen om optimalisatieresultaten eenvoudig te valideren, waardoor het ontwerpproces wordt versneld.

ParaMatters CogniCAD

Het gebied van ontwerp en CAD-software bevat ook een handvol startups die de markt hopen te transformeren. ParaMatters, opgericht in 2016, heeft generatieve ontwerpsoftware CogniCAD ontwikkeld.

Wat het kan doen

CogniCAD biedt naar verluidt een sterk geautomatiseerde workflow op basis van intern ontwikkelde topologie-optimalisatie, eindige-elementenanalyse met hoge resolutie en computationele geometrie.

Het biedt een verscheidenheid aan laadcondities, ontwerpdoelen en beperkingen die ervoor zorgen dat het ontwerp geschikt is voor 3D-printen.

nTopology nTop-platform

Opgericht in 2015, biedt nTopology ontwerpsoftware. In mei vorig jaar bracht het bedrijf zijn ontwerpsoftware Element uit, die hulpmiddelen voor ontwerpanalyse, lichtgewichtverlichting en optimalisatie biedt.

Wat het kan doen

In termen van topologie-optimalisatietool, stelt nTop Platform gebruikers in staat om meerdere belastingscondities toe te passen en te optimaliseren voor een verscheidenheid aan prestatiecriteria, waaronder spanning, verplaatsing en stijfheid.

Zodra het ontwerp is geoptimaliseerd, maakt de tool geautomatiseerde conversie van topologie-optimalisatieresultaten in bewerkbare geometrie mogelijk. Volgens het bedrijf kan dit u tijd en moeite besparen door een snel en herhaalbaar proces te bieden zonder de noodzaak van handmatige geometrie-reconstructie.

Topologie-optimalisatie:een nieuwe ontwerpaanpak

Topologie-optimalisatiesoftware voor AM heeft de afgelopen jaren opmerkelijke vooruitgang geboekt. Zowel grote softwarebedrijven als startups ontwikkelen geavanceerde oplossingen om de grenzen van ontwerp voor 3D-printen te verleggen.

Dankzij deze verbeteringen kunnen bedrijven in een groot aantal sectoren nu profiteren van meer ontwerpvrijheid, snellere ontwerpcycli en verbeterde prestaties van onderdelen.

In de toekomst zullen de mogelijkheden van topologie-optimalisatiesoftware voor AM blijven evolueren, waardoor nieuwe, krachtige mogelijkheden worden ontsloten.