Обращаем внимание, что с 1 сентября изменятся наши контакты для связи: тел. 8-495-269-62-22, адрес: ул. Минская, 2Ж

Топологическая оптимизация геометрии изделия как путь повышения прибыльности предприятия

topology-optimisation
Алексей Чехович
topology-optimisation

Геометрия без ограничений | Создание ячеистых и сетчатых структур | Сокращение числа единиц в сборке

Если говорить сухим академическим языком, топологическая оптимизация – это процесс изменения конструкции, структуры детали и ее варьирующихся параметров при заданном критерии оптимальности с сохранением или улучшением ее функционала.

Объясним более доступно на конкретном примере. Возьмем две детали, выполняющие одну и ту же функцию с определенными нагрузками и имеющие определенный ресурс (см. рисунок ниже). По сути, это одна и та же деталь, но с разной геометрией. Геометрия первой детали оптимизирована для изготовления стандартными методами производства: на фрезерном, токарном станке и средствами других технологий металлообработки. Это простая и плоская геометрия, ее легко добиться при обработке на станке. У второй детали геометрия более сложная, и сделать ее на станке представляет серьезные трудности.

Топологическая оптимизация геометрии детали в аддитивном производстве
Оптимизация геометрии детали средствами аддитивных технологий

Геометрия без ограничений

Когда еще не существовало аддитивных технологий, а были только субтрактивные, то вопрос геометрии не стоял так остро и решался доступными способами. Топологическая оптимизация позволяет изменить стандартную геометрию на геометрию, специально адаптированную под определенную технологию. И это может быть и традиционная технология (например, литье), и аддитивный процесс.

Согласно данным, у второй детали меньше напряжение, меньше перемещение под нагрузкой и, самое главное, вес уменьшился на 1 кг. Для одной детали немного, но если их выпускают сто тысяч в год, то суммарно мы можем сэкономить сто тонн металла только на одной детали.

Процесс топологической оптимизации для 3D печати
Использование метода топологической оптимизации при реинжиниринге

Программное обеспечение для топологической оптимизации не строит модель объекта с нуля. В него загружается геометрическая модель изделия, ранее изготовленного другим методом. На рисунке приведен пример изделия с простыми плоскими формами и заклепками, болтами, приваренными ребрами. Когда мы загрузили модель, мы отмечаем места, которые не полежат изменению. В данном случае это крепления. Все остальное, что не попало в эти зоны, но принадлежит детали, является так называемой design space, то есть той зоной, где программа может менять геометрию.

Затем мы в соответствии со служебным назначением изделия накладываем нагрузки, которые деталь должна выдерживать, то есть создаем силовую схему нагрузок. И далее, на основе заданных нами параметров, программа начинает создавать новую оптимизированную геометрию. Между двумя неизменными местами для крепления она выстраивает новую модель. Она анализирует напряжение в каждом сечении – выдерживает его сечение или нет. Если не выдерживает, то программа меняет сечение.

Процесс построения новой модели довольно затратный по времени и требует больших вычислительных ресурсов. Этот метод моделирования называется методом конечных элементов. Для каждой точки изделия программа составляет и решает интегральные уравнения, учитывая при этом взаимосвязи между всеми точками. В результате расчета получается новая геометрия. Затем конструктор может изменить что-то в модели, если это необходимо. В итоге получается CAD-модель.

Далее для верификации модель загружается в другое программное обеспечение, в котором она проходит финальную проверку на максимальные деформации, напряжения и пр. Затем геометрия утверждается и может быть передана в производство. При этом программа умеет оптимизировать геометрию под разные виды производства: под литье, штамповку, ковку или под аддитивное производство.

Топологическая геометрия, как правило, имеет аморфные формы, в ней нет плоских, прямых линий, могут быть сплайны второго порядка. При соблюдении тех же самых свойств и нагрузочных характеристик такое моделирование позволяет уменьшить массу изделия, и, следовательно, сократить издержки на производство. Понижение массы изделия при сохранении функционала изделия – это задача номер один в самолетостроении, авиакосмической отрасли и автомобилестроении.

Создание ячеистых и сетчатых структур

Создание решетчатых структур, которые можно напечатать на 3d принтере
Создание решетчатых структур

В природе такие структуры встречаются очень часто. Кости птиц могут быть почти пустотелыми, а кость млекопитающих представляет из себя жесткую оболочку с губчатой структурой внутри. Это позволяет выдерживать те же нагрузки при меньших затратах организма на выращивание такой кости и меньшем весе.

Топологическая оптимизация дает возможность делать решетчатые структуры разных форм и размеров (например, гексагоновые) или создавать ячеистую структуру, а снаружи – твердую оболочку. Стандартными методами такую структуру нельзя изготовить – только с использованием аддитивных технологий.

Сокращение числа единиц в сборке

Схема смесителя жидкости с газом
Схема смесителя жидкости с газом

Это еще одно преимущество топологической оптимизации вместе с аддитивными технологиями. Пример: на рисунке изображен типичный сатуратор (смеситель жидкости с газом). Внутри трубы стоит маленький фильтр. Чтобы установить его туда, необходимо эту деталь сделать разъемной в двух частях, сделать фланцы для крепления, а также прокладки, болты и т.д.

С помощью аддитивных технологий можно в одном корпусе создать и саму трубу, и мелкий фильтр внутри, и канал вокруг для распределения газа.

Пример топологической оптимизации
Оптимизированный смеситель в цельном корпусе

В итоге, применяя 3D-печать металлом, получаем в цельном корпусе единую деталь, одну единицу хранения. Теперь не требуется операция сборки, нет прокладок, которые могут течь, нет больших фланцев, на которые уходил металл.

Анализ показателей при топологической оптимизации
При анализе показателей видим, что вес детали уменьшился, прокладок нет, время сборки стало нулевым.

Если мы уменьшаем вес детали в самолете всего на 200 г, а в нем таких деталей 100, то мы экономим 20 кг, а при ресурсе самолета в 25 лет это огромная экономия топлива или лишняя полезная нагрузка.

Таким образом, топологическая оптимизация – это программное обеспечение, которое создает геометрию без ограничений.

New call-to-action
Технология селективного лазерного плавления (SLM)
3D-технологии в металлообработке

Об авторе

Алексей Чехович
Алексей Чехович

Главный эксперт направления технической поддержки 3D-оборудования. Девиз Алексея – «Доверяйте профессионалам!», и вы в полной мере можете положиться на его высокую квалификацию и уникальный опыт, который охватывает и традиционные методы производства, и 3D-технологии. В его послужном списке множество успешных проектов, среди которых он особо выделяет изготовление модельной оснастки для отливки колоколов Храма Христа Спасителя. Хобби Алексея – история и археология.

Читайте также
10 часто задаваемых вопросов о применении 3D-технологий в автопроме
10 часто задаваемых вопросов о применении 3D-технологий в автопроме
Во сколько на самом деле обойдется 3D-сканирование
Во сколько на самом деле обойдется 3D-сканирование
Создаем литейные модели без оснастки: история технологии QuickCast
Создаем литейные модели без оснастки: история технологии QuickCast

Оставьте комментарий