Como a otimização da topologia e a impressão 3D revelam novas oportunidades de design

Hoje, a manufatura aditiva (AM) oferece possibilidades sem precedentes para o design e produção de peças funcionais. No entanto, para explorar totalmente a complexidade do projeto oferecida pela tecnologia, é necessário um software de projeto, como a otimização da topologia. A otimização da topologia possibilita a produção de peças mais resistentes e leves. O artigo de hoje explorará como a otimização da topologia, juntamente com a impressão 3D, pode ajudar os engenheiros a reimaginar sua abordagem para projetar e produzir peças.

O que é otimização de topologia?

A otimização da topologia é uma técnica de design generativa que otimiza a geometria de um objeto usando cálculos matemáticos.




O processo de otimização da forma da peça começa com a definição do "espaço de design" que representa o volume máximo que uma peça pode ocupar. Em seguida, o software analisa a forma com base em vários requisitos, como carga, deformação, restrições de rigidez e condições de contorno.

Isso permite que o software identifique as áreas onde o material pode ser removido sem sacrificar a função ou o desempenho da peça.

Desta forma, a otimização da topologia ajuda a criar a melhor estrutura possível de uma determinada parte.

Os benefícios da otimização da topologia

Um processo de design mais rápido

O software de otimização de topologia ajuda a acelerar o desenvolvimento da peça e o processo de projeto, iterando automaticamente o projeto até que ele crie uma geometria otimizada.

Ao fatorar os requisitos de desempenho no design desde o início e automatizar o processo de geração do design, é possível chegar a um design inovador muito mais rápido, em última análise, acelerando o ciclo de design.

Partes mais leves e resistentes

Talvez a maior vantagem de usar a otimização da topologia seja a capacidade de melhorar o desempenho da peça reduzindo seu peso e otimizando sua resistência.

Ao adicionar ou remover o material em locais, definidos por um conjunto de parâmetros, as ferramentas de otimização de topologia permitem que os engenheiros explorem infinitas opções de design e encontrem o melhor possível, uma estrutura leve, mas resiliente, de uma determinada peça .

Peças mais leves são procuradas por muitas indústrias. No setor aeroespacial, por exemplo, os componentes leves podem reduzir significativamente o consumo de combustível da aeronave, enquanto no automobilismo eles podem melhorar radicalmente o desempenho do carro de corrida.

Além disso, quanto mais leve a peça, menos material foi usado para produzi-la , o que reduz os custos de fabricação.

Combinando otimização de topologia e impressão 3D

Abordagens de manufatura tradicionais são freqüentemente limitadas em sua capacidade de produzir designs topologicamente otimizados. Esses projetos geralmente apresentam formas complexas, que geralmente são impossíveis ou têm um custo proibitivo de produzir usando usinagem ou moldagem por injeção. A impressão 3D, por outro lado, é capaz de produzir formas intrincadas sem o custo adicional de complexidade. Isso torna a impressão 3D a melhor tecnologia para aproveitar ao máximo os designs topologicamente otimizados.

Otimização da topologia na prática

O uso combinado de otimização de topologia e impressão 3D pode ser encontrado em setores como automotivo, aeroespacial e médico.

Aeroespacial


A indústria aeroespacial é uma das principais empresas a adotar designs topologicamente otimizados, graças aos benefícios de criar peças leves, estruturas de suporte reduzidas e resistência preservada das peças produzidas.

Componentes otimizados e fabricados aditivamente provam ser altamente valiosos na redução de custos para o lançamento de satélites e veículos espaciais.

Um bom exemplo é o do fabricante de estruturas aéreas STELIA Aerospace, que usou a otimização da topologia para produzir painéis da fuselagem de aviões.

Graças à otimização da topologia, os designers e engenheiros da STELIA puderam criar painéis de fuselagem de aeronaves mais resistentes, com estabilidade aprimorada. Há também um benefício ecológico adicional, com o design otimizado para topologia levando a menos desperdício de material.

Médico

Outro setor que se beneficia da otimização da topologia é o médico. Estruturas otimizadas funcionalmente abrem novas oportunidades para a produção de implantes que imitam a rigidez e densidade óssea de um paciente.




Em um exemplo recente disso, a empresa de TI Altair combinou software de impressão 3D e otimização de topologia para criar um implante de haste de quadril aprimorado.

Ao inserir parâmetros como tamanho, peso e carga esperada que o implante suportaria, o software de otimização da topologia foi usado para criar um novo design para um implante de quadril. O design otimizado distribui o estresse e a tensão de uma forma mais eficiente do que um implante genérico. Além disso, o software de otimização da topologia ajudou a determinar onde o material poderia ser substituído por estruturas reticuladas para tornar o implante mais leve.

Quando testado, o implante otimizado ofereceu um limite de resistência aumentado para cerca de 10 milhões de ciclos. Isso significa que o implante de quadril pode suportar corridas de Los Angeles a Nova York e vice-versa - duas vezes.

Automotivo

Em 2018, a BMW lançou seu icônico carro i8 Roadster, com um premiado suporte de metal impresso em 3D.




O suporte do tejadilho, um pequeno componente que ajuda a dobrar e desdobrar a parte superior do automóvel, necessitou de um novo design para maximizar o desempenho do mecanismo de dobragem do tejadilho. Para atingir esse objetivo, os engenheiros da BMW combinaram a impressão 3D com um software de otimização de topologia.

Usando o software, os engenheiros puderam inserir parâmetros como o peso, o tamanho do componente e a carga que ele irá suportar. O software então gerou um projeto que otimizou a distribuição do material da peça.

O projeto realizado pela equipe de engenharia era impossível de lançar. A equipe descobriu que a única maneira de tornar esse design possível era por meio da impressão 3D de metal.

Graças à tecnologia Selective Laser Melting (SLM), os engenheiros criaram um suporte de telhado de metal que é 10 vezes mais rígido e 44 por cento mais leve do que a alternativa convencional.

Exemplos de software de otimização de topologia para impressão 3D

Muitas empresas de TI que fornecem software de design e simulação para impressão 3D também estão desenvolvendo soluções de design com recursos de otimização de topologia. Nesta seção, daremos uma olhada em algumas das ofertas promissoras em otimização de topologia para impressão 3D.

Altair Inspire

A Altair é uma empresa global de tecnologia que fornece software e soluções em nuvem nas áreas de desenvolvimento de produtos, computação de alto desempenho e análise de dados.

O que pode fazer O Altair Inspire oferece várias opções de topologia, incluindo objetivos de otimização, restrições de tensão e deslocamento, aceleração, gravidade e condições de carga de temperatura.

O software de otimização da topologia também observa as restrições do processo de manufatura. Por exemplo, permite o design para AM com controles de formato de saliência para ajudar a reduzir saliências para criar estruturas mais autossustentadas.

Ansys Mechanical

ANSYS é um fornecedor de software de simulação e ferramentas de design para engenharia mecânica. ANSYS fornece aos designers uma ferramenta automatizada de otimização de topologia integrada com seu conjunto completo de software multifísico.

O que ele pode fazer A otimização da topologia no Ansys Mechanical permite levar em consideração várias cargas estáticas combinadas com a otimização para frequências naturais (análise modal), bem como satisfazer os requisitos de espessura mínima do material. Além disso, o software foi desenvolvido para validar facilmente os resultados da otimização, agilizando o processo de projeto.

ParaMatters CogniCAD

O campo do design e software CAD também contém um punhado de startups que desejam transformar o mercado. A ParaMatters, fundada em 2016, desenvolveu um software de design generativo, CogniCAD.

O que pode fazer

CogniCAD supostamente oferece um fluxo de trabalho altamente automatizado baseado em otimização de topologia desenvolvida internamente, análise de elementos finitos de alta resolução e geometria computacional.

Ele fornece uma variedade de condições de carregamento, objetivos e restrições de design que ajudam a garantir que o design seja adequado para impressão 3D.

Plataforma nTopology nTop

Fundada em 2015, a nTopology oferece software de design. Em maio passado, a empresa lançou seu software de design, Element, que fornece ferramentas de análise, redução de peso e otimização de design.

O que pode fazer

Em termos de ferramenta de otimização de topologia, a plataforma nTop permite aos usuários aplicar várias condições de carregamento e otimizar para uma variedade de critérios de desempenho, incluindo tensão, deslocamento e rigidez.

Uma vez que o projeto foi otimizado, a ferramenta permite a conversão automática dos resultados de otimização da topologia em geometria editável. De acordo com a empresa, isso pode economizar tempo e esforço ao fornecer um processo rápido e repetível sem a necessidade de reconstrução manual da geometria.

Otimização da topologia:uma nova abordagem de design

O software de otimização de topologia para AM tem visto um progresso notável nos últimos anos. Grandes empresas de software e startups estão desenvolvendo soluções avançadas para expandir os limites do design para impressão 3D.

Graças a esses avanços, as empresas de uma variedade de setores podem agora aproveitar as vantagens de uma maior liberdade de design, ciclos de design mais rápidos e desempenho aprimorado das peças.

Movendo-se para o futuro, os recursos do software de otimização de topologia para AM continuarão a evoluir, revelando novas e poderosas possibilidades.