Bagaimana Pengoptimalan Topologi dan Pencetakan 3D Membuka Peluang Desain Baru
Saat ini, manufaktur aditif (AM) menawarkan kemungkinan yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk desain dan produksi suku cadang fungsional. Namun, untuk sepenuhnya memanfaatkan kompleksitas desain yang ditawarkan oleh teknologi, perangkat lunak desain, seperti optimasi topologi, diperlukan.
Optimasi topologi memungkinkan produksi suku cadang yang lebih kuat dan ringan. Artikel hari ini akan membahas bagaimana pengoptimalan topologi, yang digabungkan dengan pencetakan 3D, dapat membantu para insinyur membayangkan kembali pendekatan mereka dalam merancang dan memproduksi suku cadang.
Apa itu optimasi topologi?
Optimasi topologi adalah teknik desain generatif yang mengoptimalkan geometri suatu objek menggunakan perhitungan matematis.
Proses pengoptimalan bentuk bagian dimulai dengan mendefinisikan “ruang desain” yang mewakili volume maksimum yang dapat ditempati oleh suatu bagian. Kemudian perangkat lunak menganalisis bentuk berdasarkan beberapa persyaratan, seperti beban, deformasi, kendala kekakuan dan kondisi batas.
Ini memungkinkan perangkat lunak untuk mengidentifikasi area di mana material dapat dihapus tanpa mengorbankan fungsi atau kinerja bagian.
Dengan cara ini, optimasi topologi membantu menciptakan struktur terbaik dari bagian tertentu.
Manfaat optimasi topologi
Proses desain yang lebih cepat
Perangkat lunak optimasi topologi membantu mempercepat pengembangan bagian dan proses desain dengan secara otomatis mengulangi desain hingga menciptakan geometri yang dioptimalkan.
Dengan mempertimbangkan persyaratan kinerja ke dalam desain sejak awal dan mengotomatiskan proses pembuatan desain, dimungkinkan untuk menghasilkan desain yang inovatif lebih cepat, yang pada akhirnya mempercepat siklus desain.
Bagian yang lebih ringan dan kuat
Mungkin keuntungan terbesar menggunakan optimasi topologi adalah kemampuan untuk meningkatkan kinerja bagian dengan mengurangi bobotnya dan mengoptimalkan kekuatannya.
Dengan menambahkan atau menghapus material di beberapa tempat, yang ditentukan oleh serangkaian parameter, alat pengoptimalan topologi memungkinkan para insinyur untuk mengeksplorasi opsi desain tanpa akhir dan menemukan yang terbaik dari struktur yang ringan, namun tangguh, dari bagian tertentu. .
Suku cadang yang lebih ringan banyak dicari oleh banyak industri. Di luar angkasa, misalnya, komponen ringan dapat secara signifikan mengurangi konsumsi bahan bakar pesawat, sementara di olahraga motor, komponen tersebut secara radikal dapat meningkatkan performa mobil balap.
Selain itu, semakin ringan bagiannya, semakin sedikit bahan yang digunakan untuk memproduksinya. , yang menurunkan biaya produksi.
Menggabungkan pengoptimalan topologi dan pencetakan 3D
Pendekatan manufaktur tradisional seringkali terbatas dalam kemampuannya untuk menghasilkan desain yang dioptimalkan secara topologi. Desain seperti itu sering menampilkan bentuk kompleks, yang biasanya tidak mungkin atau mahal untuk diproduksi menggunakan mesin atau cetakan injeksi.
Pencetakan 3D, di sisi lain, mampu menghasilkan bentuk yang rumit tanpa biaya tambahan untuk kerumitan. Hal ini menjadikan pencetakan 3D sebagai teknologi terbaik untuk memaksimalkan desain yang dioptimalkan secara topologi.
Pengoptimalan topologi dalam praktiknya
Penggunaan gabungan optimasi topologi dan pencetakan 3D dapat ditemukan di industri seperti otomotif, dirgantara dan medis.
Aerospace
Aerospace adalah salah satu pengadopsi teratas dari desain yang dioptimalkan secara topologi, berkat manfaat dari pembuatan suku cadang yang ringan, pengurangan struktur penyangga, dan kekuatan suku cadang yang dihasilkan.
Komponen yang diproduksi secara aditif dan dioptimalkan terbukti sangat berharga dalam mengurangi biaya peluncuran satelit dan kendaraan luar angkasa.
Contoh yang baik adalah produsen aerostructure STELIA Aerospace, yang telah menggunakan optimasi topologi untuk memproduksi panel fuselage pesawat.
Berkat optimasi topologi, desainer dan insinyur dari STELIA telah mampu membuat panel badan pesawat yang lebih kuat, dengan stabilitas yang ditingkatkan. Ada juga manfaat ekologis tambahan, dengan desain yang dioptimalkan topologi yang menghasilkan lebih sedikit limbah material.
Medis
Industri lain yang mendapat manfaat dari optimasi topologi adalah medis. Struktur yang dioptimalkan secara fungsional membuka peluang baru untuk produksi implan yang meniru kekakuan dan kepadatan tulang pasien.
Dalam contoh baru-baru ini, perusahaan IT, Altair, menggabungkan perangkat lunak pencetakan 3D dan pengoptimalan topologi untuk membuat implan batang pinggul yang lebih baik.
Dengan memasukkan parameter seperti ukuran, berat dan beban yang diharapkan dari implan, perangkat lunak pengoptimalan topologi digunakan untuk membuat desain baru implan pinggul. Desain yang dioptimalkan mendistribusikan stres dan ketegangan dengan cara yang lebih efisien daripada implan generik.
Selanjutnya, perangkat lunak pengoptimalan topologi membantu menentukan di mana material dapat diganti dengan struktur kisi untuk membuat implan lebih ringan.
Saat diuji, implan yang dioptimalkan menawarkan batas daya tahan meningkat menjadi sekitar 10 juta siklus. Ini berarti implan pinggul dapat menahan lari dari Los Angeles ke New York dan bolak-balik – dua kali.
Otomotif
Pada tahun 2018, BMW merilis mobil ikonik i8 Roadster, yang menampilkan braket atap logam cetak 3D pemenang penghargaan.
Bracket atap, komponen kecil yang membantu melipat dan membuka bagian atas mobil, membutuhkan desain baru untuk memaksimalkan kinerja mekanisme pelipatan atap. Untuk mencapai tujuan ini, para insinyur di BMW menggabungkan pencetakan 3D dengan perangkat lunak pengoptimalan topologi.
Dengan menggunakan perangkat lunak, para insinyur dapat memasukkan parameter seperti berat, ukuran komponen, dan beban yang diperlukan. Perangkat lunak kemudian menghasilkan desain yang mengoptimalkan distribusi material bagian tersebut.
Desain yang dicapai oleh tim engineering tidak mungkin bisa dibuat. Tim menemukan bahwa satu-satunya cara untuk membuat desain ini mungkin adalah melalui pencetakan 3D logam.
Berkat teknologi Selective Laser Melting (SLM), para insinyur menciptakan braket atap logam yang 10 kali lebih kaku dan 44 persen lebih ringan daripada alternatif konvensional.
Contoh perangkat lunak pengoptimalan topologi untuk pencetakan 3D
Banyak perusahaan IT yang menyediakan software desain dan simulasi untuk pencetakan 3D juga mengembangkan solusi desain dengan kemampuan optimasi topologi. Di bagian ini, kita akan melihat beberapa penawaran yang menjanjikan dalam pengoptimalan topologi untuk pencetakan 3D.
Altair Menginspirasi
Altair adalah perusahaan teknologi global yang menyediakan solusi perangkat lunak dan cloud di bidang pengembangan produk, komputasi kinerja tinggi, dan analisis data.
Apa yang dapat dilakukannya
Altair Inspire menawarkan sejumlah opsi topologi termasuk tujuan pengoptimalan, batasan tegangan dan perpindahan, akselerasi, gravitasi, dan kondisi pemuatan suhu.
Perangkat lunak optimasi topologi juga memperhatikan kendala proses manufaktur. Misalnya, ini memungkinkan desain untuk AM dengan kontrol bentuk overhang untuk membantu mengurangi overhang untuk menciptakan struktur yang lebih mandiri.
Ansys Mekanik
ANSYS adalah penyedia perangkat lunak simulasi dan alat desain untuk teknik mesin. ANSYS memberi desainer alat pengoptimalan topologi otomatis yang terintegrasi dengan rangkaian lengkap perangkat lunak multifisika.
Apa yang dapat dilakukannya
Optimasi topologi di Ansys Mechanical memungkinkan Anda memperhitungkan beberapa beban statis yang dikombinasikan dengan optimalisasi frekuensi alami (analisis modal), serta memenuhi persyaratan untuk ketebalan material minimum. Selain itu, perangkat lunak ini dirancang untuk dengan mudah memvalidasi hasil pengoptimalan, mempercepat proses desain.
ParaMatters CogniCAD
Bidang desain dan perangkat lunak CAD juga berisi beberapa perusahaan rintisan yang berharap dapat mengubah pasar. ParaMatters, didirikan pada tahun 2016, telah mengembangkan perangkat lunak desain generatif, CogniCAD.
Apa yang bisa dilakukannya
CogniCAD dilaporkan menawarkan alur kerja yang sangat otomatis berdasarkan optimasi topologi yang dikembangkan sendiri, analisis elemen hingga resolusi tinggi dan geometri komputasi.
Ini menyediakan berbagai kondisi pemuatan, tujuan dan batasan desain yang membantu memastikan desain cocok untuk pencetakan 3D.
nTopologi nTop Platform
Didirikan pada tahun 2015, nTopology menawarkan software desain. Pada bulan Mei lalu, perusahaan merilis perangkat lunak desainnya, Elemen, yang menyediakan alat analisis desain, ringan, dan pengoptimalan.
Apa yang bisa dilakukannya
Dalam hal alat pengoptimalan topologi, Platform nTop memungkinkan pengguna untuk menerapkan beberapa kondisi pemuatan dan mengoptimalkan berbagai kriteria kinerja termasuk tegangan, perpindahan, dan kekakuan.
Setelah desain dioptimalkan, alat ini memungkinkan konversi otomatis hasil optimasi topologi dalam geometri yang dapat diedit. Menurut perusahaan, hal ini dapat menghemat waktu dan tenaga Anda dengan menyediakan proses yang cepat dan berulang tanpa memerlukan rekonstruksi geometri manual.
Optimasi topologi:pendekatan desain baru
Perangkat lunak pengoptimalan topologi untuk AM telah mengalami kemajuan yang luar biasa selama beberapa tahun terakhir. Baik perusahaan perangkat lunak besar maupun perusahaan rintisan sedang mengembangkan solusi canggih untuk mendorong batas desain untuk pencetakan 3D.
Berkat kemajuan ini, perusahaan dalam berbagai industri sekarang dapat memanfaatkan kebebasan desain yang lebih besar, siklus desain yang lebih cepat, dan kinerja suku cadang yang ditingkatkan.
Bergerak ke masa depan, kemampuan perangkat lunak pengoptimalan topologi untuk AM akan terus berkembang, membuka kemungkinan baru yang kuat.
