Zmniejszanie rozmiaru części, zmniejszanie liczby części i zmniejszanie masy części to nieustanne dążenie do przemysłu lotniczego, samochodowego i innych dziedzin. Na przykład każdy gram redukcji masy samolotu jest równoznaczny ze znacznym zmniejszeniem zużycia paliwa podczas eksploatacji. Jako inny przykład, zmniejszając rozmiar komponentów satelity, można zapewnić więcej miejsca, aby zwiększyć moc baterii, a tym samym wydłużyć czas przebywania satelity w przestrzeni kosmicznej.
Należy zauważyć, że lekkość jest ogólnie rozumiana jako usunięcie materiału z komponentu lub części w celu zmniejszenia jej wagi. Tak właśnie się dzieje i dlatego często kładzie się nacisk na „redukcję materiałów” lub zastąpienie niektórych materiałów innymi lekkimi materiałami.
Wybierając materiał o wyższej wytrzymałości właściwej, można zmniejszyć całkowitą wagę części. Na przykład, jeśli porównamy stal nierdzewną, stop aluminium i stop tytanu, stop tytanu ma wyższą wytrzymałość właściwą i może zużywać mniej materiału, aby osiągnąć ten sam poziom wydajności.
Koncentracja na materiałach wpływa zatem na projekt części, który odzwierciedla sposób, w jaki fundamentalne zmiany w projekcie mogą pomóc zminimalizować zużycie materiałów i ostatecznie skrócić czas budowy.
Ponieważ lekkość dowolnej konstrukcji ma bezpośredni wpływ na właściwości mechaniczne części, zdolność produkcyjna jest jednym z najważniejszych czynników wpływających na lekkość. Możesz mieć najlżejszy i najbardziej wydajny teoretyczny projekt, ale jeśli nie można go wyprodukować, ten projekt jest bezużyteczny. stać się bezużytecznym.
Kolejnym ważnym czynnikiem jest koszt części. Jeśli lekka część jest źle zaprojektowana przy użyciu optymalizacji topologii, pojawią się dodatkowe koszty usunięcia nadmiernych struktur wsporczych i dodania obróbki powierzchni. Z drugiej strony drukowanie siatek igłowych i struktur TPMS może wydłużyć czas drukowania 3D, prowadząc do wyższych kosztów produkcji części.
Producenci wykorzystują wytwarzanie addytywne od dwóch dekad, ale dopiero w ostatnich latach druk 3D odnotował postęp w zakresie lekkich części i ustanowił nowe strategie oprogramowania dla lekkich.
Optymalizacja topologii i projektowanie generatywne
Jedną z często eksplorowanych strategii oprogramowania pod kątem lekkości jest optymalizacja topologii: funkcja optymalizacji topologii, oparta na metodzie elementów skończonych (MES) w celu optymalizacji przypisania materiału części pod kątem sztywności lub wytrzymałości, umożliwia projektowanie lekkich części. Ta strategia projektowania optymalizuje układ materiałów w danej przestrzeni projektowej dla danego zestawu obciążeń, warunków brzegowych i ograniczeń.
Na rynku optymalizacja topologii (optymalizacja topologii) i projektowanie generatywne (projektowanie generatywne) są zwykle mylone w wielu przypadkach, ale po dokładnym przestudiowaniu projektowanie generatywne (projektowanie generatywne) opiera się na pewnych parametrach początkowych poprzez iterację i dostosowanie. Znajdź (zoptymalizowany) model. Topology Optimization (Topology Optimization) polega na analizie zadanego modelu. Powszechne jest przeprowadzanie analizy elementów skończonych w oparciu o warunki brzegowe, a następnie deformowanie lub usuwanie modelu w celu jego optymalizacji.
Projektowanie generatywne to proces interakcji człowiek-komputer i autoinnowacji. Zgodnie z intencją projektową wprowadzającego, poprzez system „generatywny”, generowany jest model geometryczny potencjalnie wykonalnego planu projektowego, a następnie kompleksowo porównywany, a wybrany plan projektowy jest przesyłany do projektanta w celu podjęcia ostatecznej decyzji.
Powszechnie rozumiane projektowanie generatywne to metoda projektowania, która automatycznie generuje dzieła sztuki, modele architektoniczne i modele produktów za pomocą algorytmów w oprogramowaniu do projektowania. Projektowanie generatywne jest metodą modelowania parametrycznego. Podczas procesu projektowania, po wprowadzeniu przez projektanta parametrów produktu, algorytm automatycznie dostosuje się i oceni, aż do uzyskania optymalnego projektu.
Struktura wypełniona siatką lub TPMS
Ze względu na pojawienie się technik wytwarzania addytywnego, okresowe struktury komórkowe, zwłaszcza potrójne okresowe minimalne powierzchnie (TPMS), wzbudziły duże zainteresowanie badawcze. TPMS jest zasadniczo najmniejszą powierzchnią, w której średnia krzywizna wszystkich punktów wynosi zero. Strukturę TPMS można modelować matematycznie i wielokrotnie w trzech kierunkach. Ten wzór pozwala komórkom TPMS rosnąć w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach, tworząc trójwymiarową macierz komórek TPMS.
TPMS to potrójna okresowa minimalna powierzchnia (TPMS). W zastosowaniach konstrukcyjnych konstrukcja TPMS wykazuje wysoki stosunek wytrzymałości do masy. Stosowany w połączeniu z technikami wytwarzania przyrostowego umożliwia projektantom tworzenie wielofunkcyjnych struktur o wysokiej wytrzymałości i właściwościach rozpraszania ciepła.
Wypełnianie struktur kratownicami lub TPMS to interesujące podejścia do zbadania w tym zakresie, na przykład oprogramowanie do wytwarzania przyrostowego Cognitive Design stworzyło dużą bazę danych takich metamateriałów i ich właściwości mechanicznych. Infill Optimizer, część Cognitive Additive, inteligentnie umieszcza takie struktury w oparciu o ścieżki naprężeń, zmniejszając całkowitą wagę bez uszczerbku dla wydajności mechanicznej.
Integracja strukturalna
Integracja strukturalna to strategia, która wymaga solidnej wiedzy i umiejętności łączenia wielu części w jedną. Odpowiednio zaprojektowana część może zapewnić lepszą funkcjonalność. Na przykład kilka lat temu Airbus i 3D Systems opracowały pierwszy nadający się do lotu metalowy filtr częstotliwości radiowej (RF), wydrukowany w 3D, przetestowany i zatwierdzony do użytku w komercyjnych satelitach telekomunikacyjnych.
Tradycyjnie filtry RF są projektowane przy użyciu standardowych elementów, takich jak prostokątne wnęki i przekroje falowodów z pionowymi zagięciami, których kształt i połączenia są określane za pomocą standardowych procesów, takich jak frezowanie i obróbka elektroiskrowa.
Zazwyczaj wnęka na filtr RF jest obrabiana maszynowo z dwóch części, które są ze sobą skręcone, co nie tylko zwiększa wagę, ale także dodaje etap montażu i dodatkowy proces kontroli jakości. Korzystając z oprogramowania CST MWS, narzędzia do symulacji elektromagnetycznej 3D, zespół 3D Systems opracował zagłębioną eliptyczną wnękę do kierowania prądem o częstotliwości radiowej. Projekt ten obniżył koszty produkcji i zmniejszył wagę o 50 procent.
Nowe oprogramowanie oparte na sztucznej inteligencji umożliwia projektantom „programowanie” algorytmów, dzięki czemu ich projekty ewoluują i przekształcają się w produkty o skomplikowanych kształtach, które można łatwo wytwarzać za pomocą wytwarzania przyrostowego.
Trend ten będzie się utrzymywał, prawdopodobnie w nieskończoność, w miarę ewolucji rozwiązań programistycznych. Podobnie jak obserwacja i analiza raportu „The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report” przeprowadzonego przez Fan Linga z Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory: Tendencja skrajnej segmentacji po stronie popytu wymaga być dopasowane przez sztuczną inteligencję po stronie podaży; Trend online/połączenia/interakcji stopniowo ewoluował od informacji online, relacji online i rzeczy online do różnych umiejętności online i ostatecznie będzie online serca i mózgu — sztucznej inteligencji/AI; w towarzystwie niezastąpionych Jednostek o umiejętnościach super-segmentowych nadal będzie się pojawiać, a era miernoty dobiegnie końca; przyszła organizacja będzie nową organizacją interakcji człowiek-komputer i będzie elastycznie przydzielać zadania talentom zewnętrznym, talentom wewnętrznym lub maszynom do automatycznego wykonywania. Mechanizm integruje cały proces projektowania w celu osiągnięcia optymalnej ścieżki realizacji zadania.