Optimalisasi Topologi 101:Cara Menggunakan Model Algoritma untuk Membuat Desain Ringan
Di mana desain yang baik bertemu dengan fungsi? Karena desain berbantuan komputer (CAD) terus berkembang dan teknik manufaktur canggih seperti pencetakan 3D menjadi lebih luas, memungkinkan untuk membuat bagian yang kompleks lebih mudah dari sebelumnya, desainer dan insinyur dapat memanfaatkan perangkat lunak pengoptimalan topologi untuk mendorong batas dan menemukan cara baru untuk memaksimalkan efisiensi desain.
Dalam panduan ini, pelajari tentang dasar-dasar pengoptimalan topologi, manfaat dan aplikasinya, serta perangkat lunak mana yang dapat Anda gunakan untuk memulai.
Apa itu Pengoptimalan Topologi?
Optimisasi topologi (TO) adalah metode optimasi bentuk yang menggunakan model algoritmik untuk mengoptimalkan tata letak material dalam ruang yang ditentukan pengguna untuk serangkaian beban, kondisi, dan batasan tertentu. TO memaksimalkan kinerja dan efisiensi desain dengan menghilangkan material yang berlebihan dari area yang tidak perlu membawa beban signifikan untuk mengurangi berat atau mengatasi tantangan desain seperti mengurangi resonansi atau tegangan termal.
Desain yang dihasilkan dengan optimasi topologi sering kali menyertakan bentuk bebas dan bentuk rumit yang kompleks atau tidak mungkin dibuat dengan metode produksi tradisional. Namun, desain TO sangat cocok untuk proses manufaktur aditif yang memiliki aturan desain yang lebih memaafkan dan dapat dengan mudah mereproduksi bentuk kompleks tanpa biaya tambahan.
Optimasi Topologi vs. Desain Generatif
Desain generatif dan pengoptimalan topologi telah menjadi kata kunci di ruang desain CAD, tetapi merupakan kesalahpahaman umum bahwa keduanya identik.
Optimalisasi topologi bukanlah hal baru. Ini telah ada setidaknya selama 20 tahun dan telah tersedia secara luas di perangkat lunak CAD umum. Awal prosesnya membutuhkan insinyur manusia untuk membuat model CAD, menerapkan beban dan batasan dengan mempertimbangkan parameter proyek. Perangkat lunak kemudian menghilangkan material yang berlebihan dan menghasilkan konsep model mesh tunggal yang dioptimalkan yang siap untuk evaluasi seorang insinyur. Dengan kata lain, optimasi topologi membutuhkan model yang dirancang manusia sejak awal untuk berfungsi, membatasi proses, hasil, dan skalanya.
Di satu sisi, optimasi topologi berfungsi sebagai dasar untuk desain generatif. Desain generatif membawa proses selangkah lebih maju dan menghilangkan kebutuhan akan model awal yang dirancang manusia, mengambil peran sebagai desainer berdasarkan serangkaian batasan yang telah ditentukan sebelumnya.
webinar
Pengantar Desain Generatif untuk Memproduksi Komponen Ringan Dengan Pencetakan 3D
Dalam webinar ini, Pemimpin Pemasaran Produk Formlabs Jennifer Milne akan memberikan ikhtisar sederhana yang menjelaskan apa itu desain generatif, dibingkai dengan cara yang dapat diterapkan pada desain komponen mekanis, termasuk tutorial langkah demi langkah Fusion 360 di mana dia akan menghasilkan braket ringan.
Tonton Webinarnya Sekarang
Cara Kerja Pengoptimalan Topologi
Optimalisasi topologi biasanya terjadi menjelang akhir proses desain, ketika bagian yang diinginkan perlu memiliki bobot yang lebih rendah atau menggunakan lebih sedikit bahan. Perancang kemudian bekerja untuk menemukan parameter prasetel tertentu, seperti beban yang diterapkan, jenis material, batasan, dan tata letak.
Optimasi topologi struktural pertama-tama menentukan ruang desain minimum yang diperlukan untuk optimasi bentuk produk. Kemudian, secara virtual, perangkat lunak pengoptimalan topologi menerapkan tekanan pada desain dari sudut yang berbeda, menguji integritas strukturalnya, dan mengidentifikasi material yang tidak perlu.
Alur kerja optimasi topologi. (sumber)
Teknik yang paling umum dan praktis untuk optimasi topologi adalah metode elemen hingga (FEM). Pertama, FEM memperhitungkan desain geometris untuk ruang minimum yang diizinkan—bersama dengan faktor lain—dan memecah desain menjadi beberapa bagian. Kemudian menguji setiap elemen hingga untuk kekakuan, kepatuhan, dan material yang berlebihan. Terakhir, FEM menyatukan kembali bagian-bagian tersebut untuk menyelesaikan desain penuh.
Memvalidasi desain melibatkan penentuan ambang batas untuk bidang kepadatan elemen antara nilai 0 dan 1. Nilai 0 material rongga di wilayah yang ditentukan dari struktur, sedangkan nilai 1 menetapkan wilayah yang ditentukan sebagai material padat. Perancang kemudian dapat menghapus model dari semua bahan yang tidak perlu dan menyelesaikan bagian optimasi topologi desain.
Sebelum manufaktur aditif, desainer membuang banyak bentuk kompleks yang dibuat oleh optimasi topologi karena tidak layak untuk diproduksi, dan potensinya tetap tidak direalisasi.
Keuntungan Pengoptimalan Topologi
Insinyur membutuhkan alasan yang baik untuk melepaskan diri dari desain klasik dan metode manufaktur. Jika desain inovatif tidak mengurangi biaya, bekerja lebih baik, atau menghemat waktu, produsen akan melihat sedikit alasan untuk berubah. Mari kita lihat manfaat optimasi topologi.
Menghemat Uang
Banyak geometri kompleks yang berasal dari optimasi topologi akan membuat biaya produksi tidak layak dengan praktik manufaktur tradisional. Namun saat dipasangkan dengan pencetakan 3D, kerumitan ini tidak dikenakan biaya tambahan.
Manufaktur komponen cetak 3D masih bisa lebih mahal untuk diproduksi daripada rekan-rekan mereka yang tidak dioptimalkan dan diproduksi secara tradisional, tetapi desain yang ringan ini dapat menawarkan penghematan biaya yang lebih besar kepada produsen dengan cara lain:
Efisiensi bahan bakar yang lebih baik karena lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk menggerakkan suku cadang berkat gesekan yang lebih rendah (pesawat terbang, otomotif)
Biaya pengemasan dan transportasi lebih rendah
Lebih sedikit alat berat yang diperlukan untuk jalur perakitan
Menyelesaikan Tantangan Desain
Optimalisasi topologi dapat mengatasi tantangan umum dalam proses desain, seperti berikut:
Resonansi terjadi ketika gaya yang diizinkan oleh suatu bentuk dalam suatu sistem mengalahkan sistem tersebut. Hal ini dapat mengakibatkan deformasi mekanis, pengurangan struktur mekanik, dan emisi polusi.
Tegangan termal adalah setiap perubahan suhu material—karena gesekan atau faktor lain—yang mengakibatkan kelelahan termal dan deformasi dalam suatu sistem.
Terkadang, optimasi desain melibatkan fungsi tujuan yang bersaing, seperti optimasi ukuran dan bobot. Misalnya, suku cadang dirgantara diuntungkan karena bobotnya yang ringan tetapi juga harus tahan terhadap torsi, tekanan, dan panas yang luar biasa. Algoritme dapat menyeimbangkan desain untuk memperhitungkan masing-masing fungsi tujuan ini dan menemukan sweet spot.
Menghemat Waktu
Meskipun bekerja dengan perangkat lunak pengoptimalan topologi masih membutuhkan keahlian yang signifikan, alat TO dapat dengan cepat menghasilkan desain berkinerja tinggi yang tidak dapat dibuat oleh seorang insinyur secara manual. Ini berarti lebih sedikit waktu dan energi yang dihabiskan dalam desain CAD dan hasil akhir yang andal dengan iterasi desain yang lebih sedikit.
Dalam hal pembuatan suku cadang, proses manufaktur aditif juga dapat mengubah suku cadang akhir dengan cepat karena tidak memerlukan perkakas lebih cepat daripada metode manufaktur tradisional.
Mengurangi Dampak Lingkungan
Menciptakan produk yang lebih kecil dan ringan mengurangi jejak karbon keseluruhan pabrikan dengan membutuhkan lebih sedikit bahan bangunan. Jika dibandingkan dengan alat manufaktur subtraktif tradisional, suku cadang yang diproduksi melalui proses aditif juga umumnya membutuhkan lebih sedikit bahan mentah dan menghasilkan lebih sedikit limbah.
Seringkali, penghematan paling signifikan terjadi sepanjang masa pakai suku cadang. Misalnya, suku cadang ringan untuk pesawat terbang mengurangi dampak lingkungan dengan membutuhkan lebih sedikit bahan bakar.
Menghilangkan Kesalahan
Pada dasarnya, optimasi topologi adalah tentang menghilangkan kesalahan. Dengan melakukan stress testing, proses memperhitungkan berbagai variabel dan menghindari asumsi berisiko yang dapat menyebabkan produk yang salah.
Aplikasi Pengoptimalan Topologi
Desain berkinerja tinggi, efisien, dan ringan dimungkinkan dengan teknik optimasi topologi yang berlaku di berbagai industri.
Aerospace
Karena pentingnya pengurangan berat, optimasi topologi adalah kecocokan alami untuk teknik kedirgantaraan dan aeronautika. TO telah digunakan, misalnya, untuk meningkatkan desain tata letak untuk struktur badan pesawat, seperti rusuk pengaku atau braket untuk pesawat.
Selain memungkinkan pelonggaran struktural, pengoptimalan topologi dapat membantu membuka potensi teknologi manufaktur canggih seperti manufaktur aditif atau material komposit yang semakin populer di sektor ini.
Optimalisasi topologi komponen edge rib Airbus A380. (sumber)
Otomotif
Dalam industri otomotif, optimasi topologi menyeimbangkan keinginan suku cadang yang ringan untuk efisiensi bahan bakar dan tenaga dengan stabilitas dan kekuatan bodi yang dapat menahan torsi dan benturan.
Selain penghematan massal, pengoptimalan topologi juga dapat meningkatkan keselamatan penumpang dengan menentukan cara struktur runtuh saat terjadi kecelakaan.
Rangka sepeda motor yang dioptimalkan dengan topologi ringan yang diproduksi menggunakan pencetakan 3D logam. (sumber)
Medis
Manufaktur aditif sangat ideal untuk membuat implan medis, karena memberdayakan profesional medis untuk membuat bentuk dan permukaan bebas, dan struktur berpori. Berkat pengoptimalan topologi, desainnya dapat menampilkan struktur kisi yang lebih ringan, memberikan osseointegrasi yang lebih baik, dan bertahan lebih lama daripada implan lainnya.
Alat TO juga dapat mengoptimalkan desain perancah biodegradable untuk rekayasa jaringan, implan berpori, dan ortopedi ringan. Aplikasi nanoteknologi—seperti manipulasi sel, pembedahan, cairan mikro, dan sistem optik—juga menggunakan optimasi topologi.
Implan tengkorak, diproduksi dengan manufaktur aditif logam. Sumber:Autodesk
Perangkat Lunak Pengoptimalan Topologi
Desainer semakin mengenali keserbagunaan, kecepatan, dan kemampuan yang kuat dalam memanfaatkan optimasi topologi. Perusahaan perangkat lunak merespons dengan menyediakan perangkat yang diperlukan, baik dalam penawaran yang sudah ada sebelumnya atau melalui solusi perangkat lunak baru.
Berikut ini adalah beberapa contoh software optimasi topologi:
nTopology menawarkan "perangkat unik desain generatif dan kemampuan otomatisasi," mempercepat proses desain dengan menggabungkan geometri canggih, simulasi, dan data eksperimental. Mesin geometrinya berlaku di berbagai aplikasi, mulai dari luar angkasa dan otomotif hingga desain helm sepak bola hingga perangkat khusus pasien di bidang medis.
Solusi Simulasi SOLIDWORKS menampilkan pengoptimalan topologi di antara alat analisis struktural mereka dan menawarkan beberapa metode untuk membawa desain yang dioptimalkan ini kembali ke lingkungan CAD.
Platform CAD berbasis cloud Fusion 360 Autodesk menawarkan pengoptimalan bentuk dan fitur-fitur canggih untuk mendukung verifikasi desain untuk manufaktur pada alat fabrikasi tradisional dan digital seperti pencetakan 3D.
Perangkat lunak desain generatif Creo 7.0 mencakup ekstensi Optimasi Topologi Generatif, memungkinkan pengguna untuk memperhitungkan kendala dan persyaratan produk dan "menjelajahi opsi desain inovatif dengan cepat untuk mengurangi waktu dan biaya pengembangan."
Altaire OptiStruct mengintegrasikan optimasi dan analisis struktural. Mengkhususkan diri dalam efisiensi ringan dan struktural, ia menampilkan metode optimasi topologi eksklusif dalam merancang struktur kisi. Lingkungan multifisika yang terintegrasi—termasuk perpindahan panas, getaran dan akustik, dinamika rotor, serta kekakuan dan stabilitas—membantu desain di berbagai bidang seperti elektronik konsumen, pemodelan aero, dan teknologi medis.
Struktur Tosca bekerja dalam perangkat lunak FEA dan menawarkan model simulasi realistis dengan kemampuan untuk mengubah geometri dengan cepat dan andal. Kemampuan morph-nya memungkinkan pengoptimalan bentuk pada mash elemen hingga yang ada, melewati langkah-langkah perantara, dan sangat penting bagi perancang struktur mekanis.
Masa Depan Cerah untuk Inovasi
Insinyur semakin menggunakan metode inovatif untuk merancang prototipe, suku cadang mesin, dan barang-barang konsumen.
Desain algoritmik dan teknologi pencetakan 3D berjalan beriringan, dan tidak lagi membebani produsen dengan biaya selangit. Jelajahi rangkaian printer 3D Formlabs dan bawa desain Anda ke level baru.
