Biodesign oder bionisches Designverfahren beinhaltet die Verwendung von in der Natur entliehenen effektiven Lösungen in entwickelten Designs. Im Allgemeinen sind dies glatte Linien, eine verteilte Struktur aus dünnen durchgehenden oder röhrenförmigen Strukturen. Biodesign ist ein Sonderfall der topologischen Optimierung, ein Mittel zur Erzielung der optimalen Kombination von mechanischer Festigkeit und Leichtigkeit durch eine gut kalkulierte Verteilung des Materials im Teil, üblicherweise mit einer Komplikation seiner Struktur.
In diesem Artikel betrachten wir
Software , die diese Aufgaben bewältigen kann.
Wie funktioniert es?
Moderne Konstruktionswerkzeuge ermöglichen es, den Verformungsgrad des Teils nicht nur vorherzusagen, sondern auch entsprechend dem vorgegebenen Rahmen von Masse und Festigkeit zu optimieren. Im Allgemeinen wird ein Blindmodell hergestellt, aus dem anschließend überschüssiges Material entfernt wird. Dieser Prozess wird als topologische Optimierung bezeichnet. Ein anderer Begriff, der in diesem Zusammenhang häufig verwendet wird, ist "generatives Design". Er bezieht sich auf das Design, das teilweise von Softwarealgorithmen ausgeführt wird. Das Ergebnis der topologischen Optimierung ist eine komplexe Struktur, auf deren Grundlage ein Modell eines Teils für die Produktion gebildet wird. Ein solches Teil hat die erforderliche Festigkeit bei minimalem Gewicht, ist jedoch mit herkömmlichen Verfahren schwierig herzustellen, und die additive Produktion ist optimal.
Implementierungsbeispiele
Produkte, die mit generativem Design hergestellt wurden, sehen ungewöhnlich futuristisch aus und dienen häufig dazu, die Fähigkeiten additiver Technologien zu demonstrieren.
BMW S1000RR
Um beispielsweise die Aussichten der Technologie zu demonstrieren, hat BMW hier ein Konzeptfahrrad auf Basis des S1000RR hergestellt, das jedoch einen leichten 3D-gedruckten Metallrahmen aufweist. Wenn wir über zweckmäßigere Anwendungen sprechen - BMW verwendet 3D-Druck bereits bei der Herstellung von Rolls-Royces- und i8-Roadstern.
MX3D-Brücke
Die Niederländer von MX3D haben die Produktion der Stützbasis der Brücke abgeschlossen, die 2019 in Amsterdam installiert werden soll. Bei der Herstellung der Brücke wurden Autodesk-Software und WAAM-Technologie verwendet - die Abscheidung einer Metallstange durch einen Industrieroboterarm.
Russische Industrie
Wir drucken noch keine Brücken, aber in Nutzgebieten wird die topologische Optimierung erfolgreich angewendet. Beispielsweise arbeitet das Computer Engineering Center SPbPU mit proprietärer Software in diese Richtung. Weitere
Informationen zu den zu lösenden
Aufgaben finden Sie auf
der Website des Zentrums. Hier stellen wir fest, dass es sich hauptsächlich um die Luft- und Raumfahrtindustrie handelt.
Software - Integrierte Systeme
Es gibt eine beträchtliche Anzahl von Softwareprodukten auf dem Markt, mit denen Berechnungen zur topologischen Optimierung durchgeführt werden können. In der Regel wird diese Funktionalität von Paketen bereitgestellt, die Dehnungsmodellierung und Festigkeitsberechnungen durchführen. Beginnen wir mit den „großen“ Komplexen, die für die Konstruktion und Berechnung im Maschinenbau verwendet werden.
NX ist ein universelles integriertes System für Konstruktion, technische Berechnungen und Erstellung eines Steuercodes für CNC-Maschinen - CAD, CAE und CAM. Die topologische Optimierung innerhalb des NX CAE-Moduls konzentriert sich auf das Zusammenspiel von Teilen in einer CAD-Baugruppe.
Ein zu optimierendes Teil wird im Arbeitsbereich platziert, andere, die nicht vom Prozess betroffen sind, aber an der Interaktion teilnehmen, werden daran angehängt. Die Angabe von Befestigungen und aufgebrachten Lasten erfolgt genau im Rahmen der Montage.
Solid Edge - CAD-System zur Festkörper- und Oberflächenmodellierung, das hauptsächlich für die Arbeit mit Teilen und Baugruppen entwickelt wurde, jedoch über ein integriertes technisches Analysemodul verfügt. Der Entwickler positioniert Solid Edge als Mittel für schnelles Design und Prototyping, das für die additive Fertigung „geschärft“ wurde.
Die Optimierung erfolgt in mehreren Schritten, ohne dass eine Feinabstimmung erforderlich ist: Laden Sie einen "Rohling", geben Sie die Löcher und Einsatzorte der Last an, stellen Sie das erforderliche Verhältnis von Gewichtsreduzierung und Sicherheitsfaktor ein. Das resultierende Teil kann direkt zum Drucken gesendet oder mit normalen Solid Edge-Werkzeugen finalisiert werden.
Die 3DEXPERIENCE-Plattform besteht ab Anfang 2018 aus 104 Modulen, die als Rollen bezeichnet werden. Dies sind Lösungen für verschiedene Entwurfsaufgaben, Entwicklungsprozessmanagement, Simulation, Visualisierung. Eine dieser Rollen ist Function Driven Generative Designer.
Diese Rolle ermöglicht es nicht nur, die Topologie des Teils gemäß den angegebenen Anforderungen zu optimieren, sondern auch das resultierende Objekt zu verfeinern - um Unregelmäßigkeiten zu vereinfachen und zu beseitigen.
Die Topologieoptimierung wurde in SOLIDWORKS 2018 hinzugefügt. Sie ist im SOLIDWORKS-Simulationsmodul der Professional- und Premium-Editionen verfügbar. Der Ingenieur gibt die Lasten und Optimierungsbedingungen an - zum Beispiel das beste Verhältnis von Steifheit zu Masse - und beginnt mit der Untersuchung der Topologie. Am Ende des Prozesses wird zur Vorbereitung der Produktion das Netz des optimierten Teils geglättet.
Cloud-Plattform für Design, technische Berechnungen und Vorbereitung der Produktion auf CNC-Maschinen - CAD / CAE / CAM. In einem maximalen Abonnement namens Ultimate ist das Advanced Simulation-Modul verfügbar. Er ist verantwortlich für die Modellierung von Verformungen, die Arbeit mit anisotropen Materialien und die Optimierung der Topologie - Formoptimierung.
Die Möglichkeiten zur Optimierung der Abstimmung sind nicht sehr groß, aber für die Hauptaufgabe - ein Teil mit einem Mindestgewicht und der erforderlichen Festigkeit zu erstellen - sind ausreichend.
Die Hauptfunktionen dieses Softwareprodukts:
- statische Berechnungen;
- dynamische Analyse;
- thermische Berechnungen;
- akustische Berechnungen.
Mit ANSYS Mechanical können Sie die Verformung von Strukturen unter Last simulieren, den Effekt von Vibrationen und das Auftreten von Resonanzen berechnen. Um eine automatisierte topologische Optimierung durchzuführen, ist es erforderlich, ein Modell des Werkstücks für das Teil zu importieren, die Befestigungspunkte und das Aufbringen von Lasten anzugeben und Randbedingungen wie die Mindestdicke festzulegen. Es ist möglich, sowohl traditionelle als auch anisotrope Materialien zu simulieren - Verbundwerkstoffe, 3D-gedruckte Teile.
Einfachere und kostengünstigere Software
Wechseln wir von „schwerer“ Industriesoftware zu Lösungen mit weniger Funktionalität, niedrigerer Einstiegsschwelle und relativ erschwinglichen Kosten.
Im Vergleich zu Ansys Mechanical ist es beispielsweise eine benutzerfreundlichere Software, die zur Lösung mehrerer enger Probleme entwickelt wurde - Modellierung des Zusammenspiels von Teilen in Baugruppen, einfache Gliederung, topologische Optimierung. Objekte, mit denen Sie arbeiten müssen, können entweder in Inspire erstellt oder aus anderen CAD-Systemen importiert werden.
Nach dem "Abschneiden des Überschusses" wird das optimierte Teil vereinfacht und geglättet, was das Erscheinungsbild erheblich verbessert und es Ihnen ermöglicht, es sofort an die Produktion zu senden.
Zusätzlich zur topologischen Optimierung kann Inspire anstelle einer kontinuierlichen Netzfüllung eine Netzfüllung bilden. Diese Funktion ist bei Bedarf hilfreich, um das Gewicht des Teils weiter zu reduzieren.
Dieses Programm ist vielen Anwendern von 3D-Druckern als praktisches Werkzeug zum Reparieren des Rasters und zum Teilen des Modells in Teile bekannt. Die Funktionalität von Netfabb 2018 ist viel breiter - zum Beispiel werden verzweigte Stützstrukturen für den FDM-Druck erstellt, die Verformung von Metallteilen für SLS und SLM modelliert und in der Ultimate Edition werden topologische Optimierung und Erzeugung von Netzfüllungen hinzugefügt.
Für was und für wen
Jetzt topologische Optimierungstools, hauptsächlich Komponenten großer CAD / CAM / CAE-Pakete, die von Siemens, Dassault Systèmes, Autodesk entwickelt wurden. Und diese Technologie wird, wenn nicht von rein Demonstrationszwecken, hauptsächlich im 3D-Druck mit Metalllegierungen eingesetzt. Generatives Design in Kombination mit Festigkeitsanalyse löst das Problem der Reduzierung der Produktmasse bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Festigkeit, was nicht nur in der Luft- und Raumfahrtindustrie wichtig ist. Bei jeder Produktion führen Materialeinsparungen zu geringeren Kosten, insbesondere bei teuren Metallpulvern.
Es ist schwierig, die Mehrheit der beschriebenen Softwareprodukte als leicht zu erlernen und finanziell erschwinglich zu bezeichnen. Aber es gibt zum Beispiel einfachere Lösungen - solidThinking Inspire. Es ist davon auszugehen, dass mit der Reduzierung der Kosten für Ausrüstung und Zubehör für den Druck mit Metallen und technischen Kunststoffen relativ einfache topologische Optimierungswerkzeuge weiter verbreitet werden.
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Top 3D Shop, um Ratschläge zur Auswahl der Software und zum Kauf von Software für CAD / CAM / CAE zu erhalten. Wir helfen bei der Auswahl von Softwareprodukten und -geräten zur Lösung von Prototyping- und Produktionsproblemen.
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