O design de biodiesel ou o método biônico envolve o uso em projetos desenvolvidos de soluções eficazes emprestadas na natureza. Em geral, são linhas suaves, uma estrutura distribuída de finas estruturas contínuas ou tubulares. Biodesign é um caso especial de otimização topológica, um meio de alcançar a combinação ideal de resistência mecânica e leveza, pela distribuição bem calculada do material na peça, geralmente com uma complicação de sua estrutura.
Neste artigo, consideramos um
software que pode lidar com essas tarefas.
Como isso funciona
As ferramentas de design modernas permitem não apenas prever o grau de deformação da peça, mas também otimizá-la, de acordo com a estrutura de massa e resistência. Em geral, é preparado um modelo em branco, do qual o excesso de material é subsequentemente removido. Esse processo é chamado de otimização topológica. Outro termo frequentemente usado neste contexto é "design generativo", refere-se ao design, parcialmente realizado por algoritmos de software. O resultado da otimização topológica é uma estrutura complexa, com base na qual é formado um modelo de uma peça para produção. Essa peça possui a resistência necessária com um peso mínimo, mas é difícil de fabricar pelos métodos tradicionais, e a produção aditiva será ideal.
Exemplos de implementação
Os produtos fabricados com design generativo têm uma aparência futurista incomum e geralmente servem para demonstrar os recursos das tecnologias aditivas.
BMW S1000RR
Aqui, por exemplo, a BMW, para demonstrar as perspectivas da tecnologia, fez uma moto conceito baseada no S1000RR, mas com uma leve armação de metal impressa em 3D. Se falarmos sobre aplicações mais utilitárias - a BMW já usa impressão 3D na produção de roads Rolls-Royces e i8.
Ponte MX3D
Os holandeses do MX3D concluíram a produção da base de apoio da ponte, que está prevista para ser instalada em Amsterdã em 2019. Na fabricação da ponte, foram utilizados o software Autodesk e a tecnologia WAAM - a deposição de uma barra de metal por um braço robótico industrial.
Indústria russa
Ainda não imprimimos pontes, mas em áreas utilitárias a otimização topológica será aplicada com sucesso. Por exemplo, o Centro de Engenharia de Computação SPbPU está trabalhando nessa direção usando software proprietário. Você pode ler mais sobre as
tarefas a serem resolvidas no
site do centro, aqui observamos que estamos falando principalmente da indústria aeroespacial.
Software - Sistemas Integrados
Há um número significativo de produtos de software no mercado, através dos quais é possível fazer cálculos para otimização topológica. Normalmente, essa funcionalidade é fornecida por pacotes que realizam modelagem de deformação e cálculos de força. Vamos começar com os "grandes" complexos usados para projetos e cálculos em engenharia mecânica.
O NX é um sistema integrado universal para projeto, cálculos de engenharia e preparação de um código de controle para máquinas CNC - CAD, CAE e CAM. A otimização topológica no módulo NX CAE é focada na interação de peças em uma montagem CAD.
Uma parte a ser otimizada é colocada na área de trabalho, outras que não são afetadas pelo processo, mas participam da interação, são anexadas a ela. A indicação de fixações e cargas aplicadas é feita precisamente dentro da estrutura da montagem.
Solid Edge - sistema CAD de modelagem de estado sólido e de superfície, projetado principalmente para trabalhar com peças e montagens, mas com um módulo de análise de engenharia embutido. O desenvolvedor está posicionando o Solid Edge como um meio de design e prototipagem rápidos, "aprimorados" para fabricação aditiva.
A otimização é realizada em várias etapas, sem a necessidade de ajuste fino: carregar um "espaço em branco", indicar os orifícios e locais de aplicação da carga, definir a proporção necessária de redução de peso e margem de segurança. A peça resultante pode ser enviada diretamente para impressão ou finalizada usando as ferramentas regulares do Solid Edge.
A plataforma 3DEXPERIENCE, a partir do início de 2018, consiste em 104 módulos chamados de papéis. Estas são soluções para várias tarefas de design, gerenciamento de processos de desenvolvimento, simulação e visualização. Uma dessas funções é o Designer Generativo Dirigido por Função.
Essa função permite não apenas otimizar a topologia da peça de acordo com os requisitos especificados, mas também refinar o objeto resultante - simplificar, remover irregularidades.
A otimização da topologia foi adicionada no SOLIDWORKS 2018. Está disponível no módulo SOLIDWORKS Simulation das edições Professional e Premium. O engenheiro indica as cargas, condições de otimização - por exemplo, a melhor razão entre rigidez e massa e inicia o estudo da topologia. No final do processo, em preparação para a produção, a malha da peça otimizada é suavizada.
Plataforma em nuvem para projeto, cálculos de engenharia e preparação para produção em máquinas CNC - CAD / CAE / CAM. Em uma assinatura máxima chamada Ultimate, o módulo de simulação avançada está disponível. Ele é responsável pela modelagem de deformações, trabalhando com materiais anisotrópicos e otimizando a topologia - Otimização de formas.
As possibilidades de otimização do ajuste não são muito amplas, mas a tarefa principal - criar uma peça com um peso mínimo e a força necessária - é suficiente.
As principais funções deste produto de software:
- cálculos estáticos;
- análise dinâmica;
- cálculos térmicos;
- cálculos acústicos.
O ANSYS Mechanical permite simular a deformação de estruturas sob carga, calcular o efeito da vibração e a ocorrência de ressonâncias. Para realizar a otimização topológica automatizada, é necessário importar o modelo da peça, especificar os pontos de fixação e aplicação de cargas, definir condições de contorno, como a espessura mínima. É possível simular materiais tradicionais e anisotrópicos - compósitos, peças impressas em 3D.
Software mais simples e acessível
Vamos passar de software industrial "pesado" para soluções com menos funcionalidade, menor limiar de entrada e custo relativamente acessível.
Em comparação, por exemplo, com o Ansys Mechanical, é um software mais fácil de usar, projetado para resolver vários problemas estreitos - modelando a interação de peças em montagens, design simples de estrutura de tópicos, otimização topológica. Os objetos com os quais você precisa trabalhar podem ser criados no Inspire ou importados de outros sistemas CAD.
Depois de "cortar o excesso", a peça otimizada é simplificada e suavizada, o que melhora muito a aparência e permite que você a envie imediatamente para a produção.
Além da otimização topológica, o Inspire é capaz de formar um preenchimento de malha em vez de contínuo, essa função é útil se necessário para reduzir ainda mais o peso da peça.
Este programa é conhecido por muitos usuários de impressoras 3D como uma ferramenta conveniente para reparar a grade e dividir o modelo em partes. A funcionalidade do Netfabb 2018 é muito mais ampla - por exemplo, há a criação de estruturas de suporte de ramificação para impressão FDM, modelagem de deformação de peças metálicas para SLS e SLM e, na edição Ultimate, são adicionadas otimização topológica e geração de preenchimento de malha.
Para quê e para quem
Agora, ferramentas de otimização topológica, principalmente componentes de grandes pacotes CAD / CAM / CAE desenvolvidos pela Siemens, Dassault Systèmes, Autodesk. E essa tecnologia é usada, se não para fins puramente demonstrativos, principalmente na impressão 3D com ligas metálicas. O design generativo, combinado com a análise de resistência, resolve o problema de reduzir a massa do produto enquanto mantém a resistência, o que é importante não apenas na indústria aeroespacial. Em qualquer produção, a economia de material levará a custos mais baixos, especialmente quando se trata de pós metálicos caros.
É difícil chamar a maioria dos produtos de software descritos fáceis de aprender e financeiramente acessíveis. Mas existem soluções mais simples, por exemplo - solidThinking Inspire. Pode-se supor que, com a redução no custo de equipamentos e suprimentos para impressão com metais e plásticos de engenharia, as ferramentas de otimização topológica relativamente simples se tornarão mais difundidas.
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