Topologie-optimalisatie 101:algoritmische modellen gebruiken om een ​​lichtgewicht ontwerp te maken

Waar ontmoet goed design functie? Naarmate computer-aided design (CAD) zich verder ontwikkelt en geavanceerde productietechnieken zoals 3D-printen wijdverbreid worden, waardoor het mogelijk wordt om complexe onderdelen eenvoudiger dan ooit te maken, kunnen ontwerpers en ingenieurs gebruikmaken van software voor topologie-optimalisatie om grenzen te verleggen en nieuwe manieren te vinden om maximale ontwerpefficiëntie.

In deze handleiding leert u over de basisprincipes van topologie-optimalisatie, de voordelen en toepassingen, en welke softwaretools u kunt gebruiken om aan de slag te gaan.

Wat is topologie-optimalisatie?

Topologie-optimalisatie (TO) is een vormoptimalisatiemethode die algoritmische modellen gebruikt om de materiaallay-out binnen een door de gebruiker gedefinieerde ruimte te optimaliseren voor een bepaalde reeks belastingen, voorwaarden en beperkingen. TO maximaliseert de prestaties en efficiëntie van het ontwerp door overtollig materiaal te verwijderen uit gebieden die geen significante belastingen hoeven te dragen om het gewicht te verminderen of ontwerpuitdagingen zoals het verminderen van resonantie of thermische stress op te lossen.

Ontwerpen die zijn geproduceerd met topologie-optimalisatie bevatten vaak vrije vormen en ingewikkelde vormen die complex of onmogelijk te vervaardigen zijn met traditionele productiemethoden. TO-ontwerpen zijn echter een perfecte match voor additieve fabricageprocessen die meer vergevingsgezinde ontwerpregels hebben en die gemakkelijk complexe vormen kunnen reproduceren zonder extra kosten.

Topologie-optimalisatie versus generatief ontwerp

Generatief ontwerp en topologie-optimalisatie zijn modewoorden geworden in de CAD-ontwerpruimte, maar het is een algemene misvatting dat ze synoniem zijn.

Topologie-optimalisatie is niet nieuw. Het bestaat al minstens 20 jaar en is algemeen beschikbaar in gewone CAD-softwaretools. De start van het proces vereist een menselijke ingenieur om een ​​CAD-model te maken, waarbij belastingen en beperkingen worden toegepast met het oog op de projectparameters. De software verwijdert vervolgens overtollig materiaal en genereert een enkel geoptimaliseerd mesh-modelconcept dat klaar is voor evaluatie door een ingenieur. Met andere woorden, topologie-optimalisatie vereist vanaf het begin een door mensen ontworpen model om te kunnen functioneren, waardoor het proces, de resultaten en de schaal ervan worden beperkt.

In zekere zin dient topologie-optimalisatie als de basis voor generatief ontwerp. Generatief ontwerp gaat nog een stap verder en elimineert de noodzaak van het oorspronkelijke door mensen ontworpen model, waarbij het de rol van ontwerper op zich neemt op basis van de vooraf gedefinieerde reeks beperkingen.

Een inleiding tot generatief ontwerp voor het produceren van lichtgewicht onderdelen met 3D-printen

In dit webinar zal Jennifer Milne, productmarketingleider van Formlabs, een eenvoudig overzicht geven van wat generatief ontwerp is, in een kader dat van toepassing is op het ontwerpen van mechanische onderdelen, inclusief een stapsgewijze zelfstudie van Fusion 360, waar ze een lichtgewicht beugel.

Hoe topologie-optimalisatie werkt

Topologie-optimalisatie vindt meestal plaats tegen het einde van het ontwerpproces, wanneer het gewenste onderdeel een lager gewicht moet hebben of minder materialen moet gebruiken. De ontwerper werkt vervolgens om bepaalde vooraf ingestelde parameters te ontdekken, zoals toegepaste belastingen, materiaaltype, beperkingen en lay-out.

Structurele topologie-optimalisatie bepaalt eerst de minimaal toegestane ontwerpruimte die nodig is voor vormoptimalisatie van het product. Vervolgens oefent de software voor topologie-optimalisatie virtueel druk uit op het ontwerp vanuit verschillende hoeken, test de structurele integriteit en identificeert onnodig materiaal.

De workflow voor topologie-optimalisatie. (bron)

De meest gebruikelijke en praktische techniek voor topologie-optimalisatie is de eindige-elementenmethode (FEM). Ten eerste houdt FEM rekening met het geometrische ontwerp voor de minimaal toegestane ruimte - samen met andere factoren - en verdeelt het ontwerp in delen. Vervolgens wordt elk eindig element getest op stijfheid, compliantie en overtollig materiaal. Ten slotte naait FEM de onderdelen weer aan elkaar om het volledige ontwerp af te ronden.

Het valideren van het ontwerp omvat het bepalen van een drempel voor het elementdichtheidsveld tussen een waarde van 0 en 1. Een waarde van 0 maakt materiaal leeg in een aangewezen gebied van de structuur, terwijl een waarde van 1 het aangewezen gebied als vast materiaal instelt. De ontwerper kan het model vervolgens ontdoen van al het onnodige materiaal en het topologie-optimalisatiegedeelte van het ontwerp afronden.

Vóór de additieve fabricage hebben ontwerpers veel van de complexe vormen die door topologie-optimalisatie waren gecreëerd, weggegooid omdat ze niet haalbaar waren om te produceren en het potentieel ervan ongerealiseerd bleef.

Voordelen van topologie-optimalisatie

Ingenieurs hebben een goede reden nodig om te breken met klassieke ontwerp- en fabricagemethoden. Als een innovatief ontwerp niet minder kost, beter werkt of tijd bespaart, ziet een fabrikant weinig reden om te veranderen. Laten we eens kijken naar de voordelen van topologie-optimalisatie.

Geld besparen

Veel van de complexe geometrieën die voortkomen uit topologie-optimalisatie zouden de productiekosten onhaalbaar maken met traditionele productiepraktijken. Maar in combinatie met 3D-printen brengt deze complexiteit geen extra kosten met zich mee.

Het produceren van 3D-geprinte onderdelen kan nog steeds duurder zijn om te produceren dan hun niet-geoptimaliseerde, traditioneel vervaardigde tegenhangers, maar deze lichtgewicht ontwerpen kunnen fabrikanten op andere manieren grotere kostenbesparingen opleveren:

• Beter brandstofverbruik omdat er minder energie nodig is om onderdelen in beweging te brengen dankzij de lagere wrijving (vliegtuigen, auto's)

• Lagere verpakkings- en transportkosten

• Minder zware machines nodig voor assemblagelijnen

Ontwerpuitdagingen oplossen

Topologie-optimalisatie kan veelvoorkomende uitdagingen in het ontwerpproces oplossen, zoals:

• Resonantie treedt op wanneer de kracht die wordt toegestaan ​​door een vorm in een systeem het systeem overmeestert. Dit kan leiden tot mechanische vervorming, vermindering van de mechanische structuur en emissies van vervuiling.

• Thermische spanning is elke verandering in de temperatuur van een materiaal - als gevolg van wrijving of andere factoren - die resulteert in thermische vermoeidheid en vervorming binnen een systeem.

Soms omvat ontwerpoptimalisatie concurrerende objectieve functies, zoals optimalisatie van de grootte en gewicht. Lucht- en ruimtevaartonderdelen profiteren bijvoorbeeld van hun lichtgewicht, maar moeten ook bestand zijn tegen enorme hoeveelheden koppel, stress en hitte. Een algoritme kan een ontwerp balanceren om rekening te houden met elk van deze objectieve functies en de goede plek te vinden.

Tijd besparen

Hoewel het werken met software voor topologie-optimalisatie nog steeds aanzienlijke expertise vereist, kunnen TO-tools snel hoogwaardige ontwerpen produceren die een ingenieur niet handmatig zou kunnen maken. Dit betekent dat er minder tijd en energie wordt besteed aan CAD-ontwerp en betrouwbare eindresultaten met minder iteraties van het ontwerp.

Als het gaat om de fabricage van de onderdelen, kunnen additieve fabricageprocessen ook de definitieve onderdelen snel omdraaien, omdat ze niet veel sneller gereedschap nodig hebben dan traditionele productiemethoden.

De impact op het milieu verminderen

Het creëren van kleinere, lichtgewicht producten verkleint de totale ecologische voetafdruk van een fabrikant doordat er in de eerste plaats minder bouwmateriaal nodig is. In vergelijking met traditionele subtractieve fabricagetools, vereisen onderdelen die door middel van additieve processen worden geproduceerd over het algemeen ook minder grondstoffen en produceren ze minder afval.

Vaak vinden de grootste besparingen plaats gedurende de levensduur van de onderdelen. Zo verminderen lichtgewicht onderdelen voor vliegtuigen hun impact op het milieu door minder brandstof te verbruiken.

Fouten elimineren

In de basis gaat topologie-optimalisatie over het elimineren van fouten. Door stresstests uit te voeren, houdt het proces rekening met een breed scala aan variabelen en worden riskante veronderstellingen vermeden die tot defecte producten kunnen leiden.

Toepassingen van topologie-optimalisatie

De hoogwaardige, efficiënte en lichtgewicht ontwerpen die mogelijk zijn met topologie-optimalisatietechnieken zijn toepasbaar in een breed scala van industrieën.

Luchtvaart

Vanwege het belang van gewichtsvermindering is topologie-optimalisatie een natuurlijke match voor lucht- en ruimtevaarttechniek en luchtvaart. TO is bijvoorbeeld gebruikt om het lay-outontwerp voor cascostructuren te verbeteren, zoals verstevigingsribben of beugels voor vliegtuigen.

Naast het mogelijk maken van structurele lichtgewichting, kan topologie-optimalisatie helpen het potentieel te ontsluiten van geavanceerde productietechnologieën zoals additive manufacturing of composietmaterialen die steeds populairder worden in de sector.

Topologie-optimalisatie van de randribcomponent van een Airbus A380. (bron)

Automobiel

In de auto-industrie brengt topologie-optimalisatie de wenselijkheid van lichtgewicht onderdelen voor brandstofefficiëntie en vermogen in evenwicht met de stabiliteit en sterkte van een carrosserie die bestand is tegen koppel en impact.

Naast massabesparingen kan topologie-optimalisatie ook de veiligheid van passagiers verbeteren door te bepalen hoe een constructie tijdens een ongeval instort.

Een lichtgewicht topologie-geoptimaliseerd motorfietsframe vervaardigd met behulp van 3D-printen van metaal. (bron)

Medisch

Additive manufacturing is ideaal voor het maken van medische implantaten, omdat het medische professionals in staat stelt om vrije vormen en oppervlakken en poreuze structuren te creëren. Dankzij topologie-optimalisatie kunnen de ontwerpen roosterstructuren bevatten die lichter zijn, betere osseo-integratie bieden en langer meegaan dan andere implantaten.

TO-tools kunnen ook de ontwerpen van biologisch afbreekbare steigers optimaliseren voor weefselengineering, poreuze implantaten en lichtgewicht orthopedie. Nanotechnologietoepassingen, zoals celmanipulatie, chirurgie, microvloeistoffen en optische systemen, maken ook gebruik van topologie-optimalisatie.

Schedelimplantaat, geproduceerd met additieve fabricage van metaal. Bron:Autodesk

Topologie-optimalisatiesoftware

Ontwerpers erkennen steeds meer de veelzijdigheid, snelheid en robuuste mogelijkheden van het benutten van topologie-optimalisatie. Softwarebedrijven reageren door de nodige toolkits te leveren, hetzij binnen hun bestaande aanbod, hetzij via nieuwe softwareoplossingen.

Hier volgen enkele voorbeelden van software voor topologie-optimalisatie:

• nTopology biedt een "unieke toolset van generatieve ontwerp- en automatiseringsmogelijkheden", waardoor het ontwerpproces wordt versneld door geavanceerde geometrie, simulaties en experimentele gegevens te combineren. De geometrie-engine is toepasbaar in een verscheidenheid aan toepassingen, van ruimtevaart en auto's tot het ontwerp van voetbalhelmen tot patiëntspecifieke apparaten in de medische sector.

• SOLIDWORKS Simulation Solutions beschikt over topologie-optimalisatie als onderdeel van hun structurele analysetools en biedt meerdere methoden om deze geoptimaliseerde ontwerpen terug te brengen naar een CAD-omgeving.

• Het op de cloud gebaseerde CAD-platform Fusion 360 van Autodesk biedt vormoptimalisatie en geavanceerde functies ter ondersteuning van ontwerpverificatie voor productie op zowel traditionele als digitale fabricagetools zoals 3D-printen.

• Creo 7.0 generatieve ontwerpsoftware bevat de Generative Topology Optimization-extensie, waarmee gebruikers rekening kunnen houden met productbeperkingen en -vereisten en "snel innovatieve ontwerpopties kunnen verkennen om ontwikkelingstijd en -kosten te verminderen."

• Altaire OptiStruct integreert structurele optimalisatie en analyse. Het is gespecialiseerd in lichtgewicht en structurele efficiëntie en beschikt over een gepatenteerde methode voor topologie-optimalisatie bij het ontwerpen van roosterstructuren. De geïntegreerde multifysische omgeving - inclusief warmteoverdracht, trillingen en akoestiek, rotordynamiek en stijfheid en stabiliteit - helpt bij het ontwerpen op gebieden zoals consumentenelektronica, aeromodellering en medische technologieën.

• Tosca Structure werkt met FEA-software en beschikt over realistische simulatiemodellen waarmee de geometrie snel en betrouwbaar kan worden gewijzigd. Het morph-vermogen maakt vormoptimalisatie mogelijk bij de bestaande eindige-elementenbrij, waarbij tussenstappen worden omzeild, en is vooral belangrijk voor ontwerpers van mechanische constructies.

Een mooie toekomst voor innovatie

Ingenieurs gebruiken steeds vaker innovatieve methoden voor het ontwerpen van prototypes, machineonderdelen en consumptiegoederen.

Algoritmisch ontwerp en 3D-printtechnologie gaan hand in hand, en het brengt niet langer exorbitante kosten met zich mee voor fabrikanten. Verken de Formlabs-suite van 3D-printers en til uw ontwerpen naar een hoger niveau.

Bron omslagafbeelding:nTopology