El biodiseño, o método de diseño biónico, implica el uso en diseños desarrollados de soluciones efectivas prestadas en la naturaleza. En general, se trata de líneas suaves, una estructura distribuida de estructuras delgadas continuas o tubulares. El biodiseño es un caso especial de optimización topológica, un medio para lograr la combinación óptima de resistencia mecánica y ligereza, mediante una distribución bien calculada del material en la pieza, generalmente con una complicación de su estructura.
En este artículo, consideramos un
software que puede manejar estas tareas.
Como funciona
Las herramientas de diseño modernas permiten no solo predecir el grado de deformación de la pieza, sino también optimizarla, de acuerdo con el marco de masa y resistencia dado. En general, se prepara un modelo en blanco, del que posteriormente se elimina el exceso de material. Este proceso se llama optimización topológica. Otro término usado a menudo en este contexto es "diseño generativo", se refiere al diseño, parcialmente realizado por algoritmos de software. El resultado de la optimización topológica es una estructura compleja en base a la cual se forma un modelo de una parte para la producción. Tal parte tiene la resistencia requerida con un peso mínimo, pero es difícil de fabricar por métodos tradicionales, y la producción de aditivos será óptima.
Ejemplos de implementación
Los productos fabricados con diseño generativo tienen un aspecto futurista inusual y a menudo sirven para demostrar las capacidades de las tecnologías aditivas.
BMW S1000RR
Aquí, por ejemplo, BMW, para demostrar las perspectivas de la tecnología, hizo una bicicleta conceptual basada en la S1000RR, pero con un ligero marco de metal impreso en 3D. Si hablamos de aplicaciones más utilitarias, BMW ya utiliza la impresión 3D en la producción de los Rolls-Royces y los roadsters i8.
Puente MX3D
Los holandeses de MX3D han completado la producción de la base de soporte del puente, que se planea instalar en Amsterdam en 2019. En la fabricación del puente, se utilizaron el software Autodesk y la tecnología WAAM: la deposición de una barra de metal por un brazo robótico industrial.
Industria rusa
Todavía no imprimimos puentes, pero en áreas utilitarias se aplicará con éxito la optimización topológica. Por ejemplo, el Centro de Ingeniería Informática SPbPU está trabajando en esta dirección utilizando software patentado. Puede leer más sobre las
tareas a resolver en
el sitio web del centro, aquí notamos que estamos hablando principalmente de la industria aeroespacial.
Software - Sistemas integrados
Hay un número significativo de productos de software en el mercado, a través del cual es posible hacer cálculos para la optimización topológica. Por lo general, esta funcionalidad es proporcionada por paquetes que realizan modelos de deformación y cálculos de resistencia. Comencemos con los complejos "grandes" utilizados para el diseño y los cálculos en ingeniería mecánica.
NX es un sistema integrado universal para el diseño, los cálculos de ingeniería y la preparación de un código de control para máquinas CNC: CAD, CAE y CAM. La optimización topológica dentro del módulo NX CAE se centra en la interacción de las piezas en un ensamblaje CAD.
Una parte para optimizar se coloca en el espacio de trabajo, otras que no se ven afectadas por el proceso, pero que participan en la interacción, se adjuntan al mismo. La indicación de las fijaciones y las cargas aplicadas se realiza precisamente dentro del marco del conjunto.
Solid Edge: sistema CAD de modelado de estado sólido y superficie, diseñado principalmente para trabajar con piezas y ensamblajes, pero con un módulo de análisis de ingeniería incorporado. El desarrollador está posicionando Solid Edge como un medio de diseño rápido y creación de prototipos, "afilado" para la fabricación aditiva.
La optimización se lleva a cabo en varios pasos, sin la necesidad de un ajuste fino: cargue un "espacio en blanco", indique los agujeros y los lugares de aplicación de la carga, establezca la proporción requerida de reducción de peso y margen de seguridad. La parte resultante se puede enviar directamente para imprimir o finalizar utilizando las herramientas regulares de Solid Edge.
La plataforma 3DEXPERIENCE, a principios de 2018, consta de 104 módulos llamados roles. Estas son soluciones para diversas tareas de diseño, gestión de procesos de desarrollo, simulación, visualización. Uno de estos roles es el Diseñador Generativo Funcional.
Este rol permite no solo optimizar la topología de la pieza de acuerdo con los requisitos especificados, sino también refinar el objeto resultante, para simplificar y eliminar irregularidades.
La optimización de la topología se agregó en SOLIDWORKS 2018. Está disponible en el módulo SOLIDWORKS Simulation de las ediciones Professional y Premium. El ingeniero indica las cargas, las condiciones de optimización, por ejemplo, la mejor relación entre rigidez y masa, y comienza el estudio de la topología. Al final del proceso, en preparación para la producción, se alisa la malla de la parte optimizada.
Plataforma en la nube para el diseño, cálculos de ingeniería y preparación para la producción en máquinas CNC - CAD / CAE / CAM. En una suscripción máxima llamada Ultimate, el módulo de simulación avanzada está disponible. Es responsable de modelar deformaciones, trabajar con materiales anisotrópicos y optimizar la topología: optimización de formas.
Las posibilidades para la optimización del ajuste no son muy amplias, pero para la tarea principal, crear una pieza con un peso mínimo y la fuerza necesaria, son suficientes.
Las principales funciones de este producto de software:
- cálculos estáticos;
- análisis dinámico;
- cálculos térmicos;
- cálculos acústicos.
ANSYS Mechanical le permite simular la deformación de estructuras bajo carga, para calcular el efecto de la vibración y la aparición de resonancias. Para llevar a cabo la optimización topológica automatizada, es necesario importar un modelo de la pieza de trabajo para la pieza, indicar los puntos de fijación y la aplicación de cargas, y establecer condiciones de contorno, como el espesor mínimo. Es posible simular tanto materiales tradicionales como anisotrópicos: compuestos, piezas impresas en 3D.
Software más simple y económico
Pasemos del software industrial "pesado" a soluciones con menos funcionalidad, un umbral de entrada más bajo y un costo relativamente asequible.
En comparación, por ejemplo, con Ansys Mechanical, es un software más fácil de usar diseñado para resolver varios problemas estrechos: modelar la interacción de piezas en ensamblajes, diseño de esquema simple, optimización topológica. Los objetos con los que necesita trabajar pueden crearse en Inspire o importarse desde otros sistemas CAD.
Después de "cortar el exceso", la parte optimizada se simplifica y alisa, lo que mejora enormemente la apariencia y le permite enviarla inmediatamente a producción.
Además de la optimización topológica, Inspire puede formar un relleno de malla en lugar de uno continuo, esta función es útil si es necesario para reducir aún más el peso de la pieza.
Muchos usuarios de impresoras 3D conocen este programa como una herramienta conveniente para reparar la cuadrícula y dividir el modelo en partes. La funcionalidad de Netfabb 2018 es mucho más amplia: por ejemplo, existe la creación de estructuras de soporte ramificadas para la impresión FDM, el modelado de la deformación de piezas metálicas para SLS y SLM, y en la edición Ultimate, se agregan optimización topológica y generación de relleno de malla.
Para que y para quien
Ahora herramientas de optimización topológica, principalmente componentes de grandes paquetes CAD / CAM / CAE desarrollados por Siemens, Dassault Systèmes, Autodesk. Y esta tecnología se utiliza, por no hablar de fines puramente demostrativos, principalmente en la impresión 3D con aleaciones metálicas. El diseño generativo, en combinación con el análisis de resistencia, resuelve el problema de reducir la masa del producto mientras se mantiene la resistencia, lo cual es importante no solo en la industria aeroespacial. En cualquier producción, el ahorro de material conducirá a costos más bajos, especialmente cuando se trata de polvos metálicos caros.
Es difícil hacer que la mayoría de los productos de software descritos sean fáciles de aprender y económicamente accesibles. Pero hay soluciones más simples, por ejemplo: solidThinking Inspire. Se puede suponer que, con la reducción en el costo de los equipos y suministros para imprimir con metales y plásticos de ingeniería, las herramientas de optimización topológica relativamente simples se generalizarán.
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