La méthode de conception biologique ou bionique implique l'utilisation dans des conceptions développées de solutions efficaces empruntées à la nature. En général, ce sont des lignes lisses, une structure distribuée de fines structures continues ou tubulaires. Biodesign est un cas particulier d'optimisation topologique, un moyen d'obtenir la combinaison optimale de résistance mécanique et de légèreté, par une distribution bien calculée du matériau dans la pièce, généralement avec une complication de sa structure.
Dans cet article, nous considérons un
logiciel capable de gérer ces tâches.
Comment ça marche
Les outils de conception modernes permettent non seulement de prédire le degré de déformation de la pièce, mais aussi de l'optimiser, en fonction du cadre donné de masse et de résistance. En général, un modèle vierge est préparé, à partir duquel le matériau en excès est ensuite retiré. Ce processus est appelé optimisation topologique. Un autre terme souvent utilisé dans ce contexte est «conception générative», il fait référence à la conception, réalisée en partie par des algorithmes logiciels. Le résultat de l'optimisation topologique est une structure complexe, sur la base de laquelle un modèle d'une pièce pour la production est formé. Une telle pièce a la résistance requise avec un poids minimum, mais est difficile à fabriquer par des méthodes traditionnelles, et la production d'additifs sera optimale.
Exemples d'implémentation
Les produits fabriqués en utilisant un design génératif ont un look futuriste inhabituel et servent souvent à démontrer les capacités des technologies additives.
BMW S1000RR
Ici, par exemple, BMW, pour démontrer les perspectives de la technologie, a fait un concept bike basé sur le S1000RR, mais avec un cadre métallique léger imprimé en 3D. Si nous parlons d'applications plus utilitaires - BMW utilise déjà l'impression 3D dans la production de Rolls-Royces et de roadsters i8.
Pont MX3D
Les Néerlandais de MX3D ont achevé la production de la base de support du pont, qui devrait être installée à Amsterdam en 2019. Dans la fabrication du pont, le logiciel Autodesk et la technologie WAAM ont été utilisés - le dépôt d'une barre métallique par un bras robotique industriel.
L'industrie russe
Nous n'imprimons pas encore de ponts, mais dans les zones utilitaires, l'optimisation topologique sera appliquée avec succès. Par exemple, le Computer Engineering Center SPbPU travaille dans ce sens en utilisant un logiciel propriétaire. Vous pouvez en savoir plus sur les
tâches à résoudre sur
le site Web du centre, nous notons ici que nous parlons principalement de l'industrie aérospatiale.
Logiciels - Systèmes intégrés
Il existe un nombre important de logiciels sur le marché, grâce auxquels il est possible d'effectuer des calculs pour l'optimisation topologique. En règle générale, cette fonctionnalité est fournie par des packages qui effectuent la modélisation des déformations et les calculs de résistance. Commençons par les «grands» complexes utilisés pour la conception et les calculs en génie mécanique.
NX est un système intégré universel pour la conception, les calculs d'ingénierie et la préparation d'un code de commande pour les machines CNC - CAD, CAE et CAM. L'optimisation topologique au sein du module NX CAE se concentre sur l'interaction des pièces dans un assemblage CAO.
Une pièce à optimiser est placée dans l'espace de travail, d'autres qui ne sont pas affectées par le processus, mais participent à l'interaction, lui sont attachées. L'indication des fixations et des charges appliquées se fait précisément dans le cadre de l'assemblage.
Solid Edge - Système CAO de modélisation à l'état solide et de surface, principalement conçu pour fonctionner avec des pièces et des assemblages, mais avec un module d'analyse d'ingénierie intégré. Le développeur positionne Solid Edge comme un moyen de conception et de prototypage rapide, «affûté» pour la fabrication additive.
L'optimisation est réalisée en plusieurs étapes, sans besoin de réglage fin: charger un "blank", indiquer les trous et les lieux d'application de la charge, définir la proportion requise de réduction de poids et de facteur de sécurité. La pièce résultante peut être directement envoyée à l'impression ou finalisée à l'aide des outils Solid Edge standard.
La plateforme 3DEXPERIENCE, début 2018, est composée de 104 modules appelés rôles. Ce sont des solutions pour diverses tâches de conception, gestion de processus de développement, simulation, visualisation. L'un de ces rôles est Function Driven Generative Designer.
Ce rôle permet non seulement d'optimiser la topologie de la pièce conformément aux exigences spécifiées, mais également d'affiner l'objet résultant - pour simplifier, supprimer les irrégularités.
L'optimisation de la topologie a été ajoutée dans SOLIDWORKS 2018. Elle est disponible dans le module SOLIDWORKS Simulation des éditions Professional et Premium. L'ingénieur indique les charges, les conditions d'optimisation - par exemple, le meilleur rapport rigidité / masse, et commence l'étude de la topologie. En fin de process, en préparation de fabrication, le maillage de la pièce optimisée est lissé.
Plateforme cloud pour la conception, les calculs d'ingénierie et la préparation de la production sur machines CNC - CAD / CAE / CAM. Dans un abonnement maximum appelé Ultimate, le module Advanced Simulation est disponible. Il est responsable de la modélisation des déformations, du travail avec les matériaux anisotropes et de l'optimisation de la topologie - Optimisation des formes.
Les possibilités d'optimisation du réglage ne sont pas très larges, mais pour la tâche principale - créer une pièce avec un poids minimum et la résistance nécessaire - sont suffisantes.
Les principales fonctions de ce produit logiciel:
- calculs statiques;
- analyse dynamique;
- calculs thermiques;
- calculs acoustiques.
ANSYS Mechanical vous permet de simuler la déformation des structures sous charge, de calculer l'effet des vibrations et l'occurrence des résonances. Pour effectuer une optimisation topologique automatisée, il est nécessaire d'importer le modèle de la pièce, de spécifier les points d'attache et d'application des charges, de définir les conditions aux limites, telles que l'épaisseur minimale. Il est possible de simuler à la fois des matériaux traditionnels et anisotropes - composites, pièces imprimées en 3D.
Logiciel plus simple et plus abordable
Passons des logiciels industriels «lourds» à des solutions avec moins de fonctionnalités, un seuil d'entrée plus bas et un coût relativement abordable.
En comparaison, par exemple, avec Ansys Mechanical, il s'agit d'un logiciel plus convivial conçu pour résoudre plusieurs problèmes étroits - modélisation de l'interaction des pièces dans les assemblages, conception simple des contours, optimisation topologique. Les objets avec lesquels vous devez travailler peuvent être créés dans Inspire ou importés à partir d'autres systèmes de CAO.
Après avoir "coupé l'excédent", la pièce optimisée est simplifiée et lissée, ce qui améliore considérablement l'apparence et vous permet de l'envoyer immédiatement en production.
En plus de l'optimisation topologique, Inspire est capable de former un remplissage de maillage au lieu d'un remplissage continu, cette fonction est utile si nécessaire pour réduire davantage le poids de la pièce.
Ce programme est connu de nombreux utilisateurs d'imprimantes 3D comme un outil pratique pour réparer la grille et diviser le modèle en pièces. La fonctionnalité de Netfabb 2018 est beaucoup plus large - par exemple, il y a la création de structures de support de ramification pour l'impression FDM, la modélisation de la déformation des pièces métalliques pour SLS et SLM, et dans l'édition Ultimate, l'optimisation topologique et la génération de remplissage de maillage sont ajoutées.
Pour quoi et pour qui
Désormais des outils d'optimisation topologique, principalement des composants de gros packages CAD / CAM / CAE développés par Siemens, Dassault Systèmes, Autodesk. Et cette technologie est utilisée, pour ne pas dire à des fins purement de démonstration, principalement dans l'impression 3D avec des alliages métalliques. La conception générative, en combinaison avec l'analyse de la résistance, résout le problème de la réduction de la masse du produit tout en maintenant la résistance, ce qui est important non seulement dans l'industrie aérospatiale. Dans toute production, les économies de matériaux entraîneront une baisse des coûts, en particulier lorsqu'il s'agit de poudres métalliques coûteuses.
Il est difficile d'appeler la majorité des logiciels décrits faciles à apprendre et financièrement abordables. Mais il existe des solutions plus simples, par exemple - solidThinking Inspire. On peut supposer qu'avec la réduction du coût des équipements et des fournitures pour l'impression avec des métaux et des plastiques techniques, des outils d'optimisation topologique relativement simples vont se généraliser.
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