Otimização de topologia 101:Como usar modelos de algoritmo para criar um projeto leve

Onde o bom design encontra a função? À medida que o design auxiliado por computador (CAD) continua a evoluir e as técnicas de manufatura avançadas, como a impressão 3D, tornam-se mais difundidas, tornando possível criar peças complexas mais facilmente do que nunca, designers e engenheiros podem aproveitar o software de otimização de topologia para ultrapassar os limites e encontrar novas maneiras de maximizar a eficiência do projeto.

Neste guia, aprenda sobre os fundamentos da otimização da topologia, seus benefícios e aplicativos, e quais ferramentas de software você pode usar para começar.

O que é otimização de topologia?

A otimização de topologia (TO) é um método de otimização de forma que usa modelos algorítmicos para otimizar o layout do material dentro de um espaço definido pelo usuário para um determinado conjunto de cargas, condições e restrições. TO maximiza o desempenho e a eficiência do projeto removendo material redundante de áreas que não precisam transportar cargas significativas para reduzir o peso ou resolver os desafios do projeto, como a redução da ressonância ou estresse térmico.

Projetos produzidos com otimização de topologia geralmente incluem formas livres e formas intrincadas que são complexas ou impossíveis de fabricar com métodos de produção tradicionais. No entanto, os designs TO são uma combinação perfeita para processos de manufatura aditiva que têm regras de design mais tolerantes e podem reproduzir facilmente formas complexas sem custos adicionais.

Otimização de topologia vs. projeto gerador

O design generativo e a otimização da topologia se tornaram palavras da moda no espaço de design CAD, mas é um equívoco comum que eles sejam sinônimos.

A otimização da topologia não é nova. Ele existe há pelo menos 20 anos e está amplamente disponível em ferramentas de software CAD comuns. O início de seu processo requer um engenheiro humano para criar um modelo CAD, aplicando cargas e restrições com os parâmetros do projeto em mente. O software então remove o material redundante e gera um único conceito de modelo de malha otimizado pronto para a avaliação de um engenheiro. Em outras palavras, a otimização da topologia requer um modelo projetado por humanos desde o início para funcionar, limitando o processo, seus resultados e sua escala.

De certa forma, a otimização da topologia serve como base para o design generativo. O design generativo leva o processo um passo adiante e elimina a necessidade do modelo inicial projetado por humanos, assumindo o papel do designer com base no conjunto predefinido de restrições.
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Como funciona a otimização da topologia

A otimização da topologia geralmente ocorre no final do processo de projeto, quando a peça desejada precisa ter um peso menor ou usar menos materiais. O designer então trabalha para descobrir certos parâmetros predefinidos, como cargas aplicadas, tipo de material, restrições e layout.

A otimização da topologia estrutural primeiro determina o espaço de design mínimo permitido necessário para a otimização da forma do produto. Então, virtualmente, o software de otimização da topologia aplica pressão no projeto de diferentes ângulos, testa sua integridade estrutural e identifica o material desnecessário.

O fluxo de trabalho de otimização da topologia. (fonte)

A técnica mais comum e prática para otimização da topologia é o método dos elementos finitos (FEM). Primeiro, o FEM leva em consideração o desenho geométrico para o espaço mínimo permitido - junto com outros fatores - e divide o desenho em partes. Em seguida, testa cada elemento finito para rigidez, conformidade e material redundante. Por fim, a FEM costura as peças novamente para finalizar o design completo.

A validação do projeto envolve a determinação de um limite para o campo de densidade do elemento entre um valor de 0 e 1. Um valor de 0 esvazia o material em uma região designada da estrutura, enquanto um valor de 1 define a região designada como material sólido. O projetista pode então retirar do modelo todo o material desnecessário e finalizar a parte de otimização da topologia do projeto.

Antes da manufatura aditiva, os projetistas descartavam muitas das formas complexas criadas pela otimização da topologia, pois não eram viáveis ​​de fabricar e seu potencial permanecia irrealizado.

Vantagens da otimização da topologia

Os engenheiros precisam de um bom motivo para romper com os métodos clássicos de design e fabricação. Se um design inovador não custar menos, funcionar melhor ou economizar tempo, o fabricante verá poucos motivos para mudar. Vejamos os benefícios da otimização da topologia.

Economizando dinheiro

Muitas das geometrias complexas que vêm da otimização da topologia tornariam os custos de produção inviáveis ​​com as práticas de manufatura tradicionais. Mas quando combinada com a impressão 3D, essa complexidade não tem custos adicionais.

A fabricação de peças impressas em 3D ainda pode ser mais cara de produzir do que suas contrapartes não otimizadas e tradicionalmente fabricadas, mas esses projetos leves podem oferecer maior economia de custos aos fabricantes de outras maneiras:

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  Melhor eficiência de combustível, pois há menos energia necessária para colocar as peças em movimento graças ao menor atrito (aviões, automóveis)
  
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  Custos de embalagem e transporte mais baixos
  
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  Maquinaria menos pesada necessária para linhas de montagem
  

Resolvendo desafios de design

A otimização da topologia pode resolver desafios comuns no processo de design, como os seguintes:

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  A ressonância ocorre quando a força permitida por uma forma em um sistema domina o sistema. Isso pode resultar em deformação mecânica, redução da estrutura mecânica e emissões de poluição.
  
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  O estresse térmico é qualquer mudança na temperatura de um material - devido ao atrito ou outros fatores - resultando em fadiga térmica e deformação dentro de um sistema.
  

Às vezes, a otimização do projeto envolve funções objetivas concorrentes, como otimização de tamanho e peso. Por exemplo, as peças aeroespaciais se beneficiam de serem leves, mas também devem resistir a enormes quantidades de torque, estresse e calor. Um algoritmo pode equilibrar um projeto para levar em conta cada uma dessas funções objetivo e encontrar o ponto ideal.

Economia de tempo

Embora trabalhar com software de otimização de topologia ainda exija conhecimento significativo, as ferramentas TO podem produzir rapidamente projetos de alto desempenho que um engenheiro não poderia criar manualmente. Isso significa menos tempo e energia gastos no projeto CAD e resultados finais confiáveis ​​com menos iterações do projeto.

Quando se trata da fabricação das peças, os processos de manufatura aditiva também podem transformar as peças finais rapidamente, pois não exigem ferramentas muito mais rápido do que os métodos de manufatura tradicionais.

Redução do impacto ambiental

A criação de produtos menores e leves reduz a pegada de carbono geral do fabricante, exigindo menos material de construção em primeiro lugar. Quando comparadas às ferramentas de manufatura subtrativa tradicionais, as peças produzidas por meio de processos aditivos geralmente também requerem menos matéria-prima e produzem menos resíduos.

Freqüentemente, as economias mais significativas ocorrem ao longo da vida útil das peças. Por exemplo, peças leves para aviões reduzem seu impacto ambiental, exigindo menos combustível.

Eliminação de erros

Em sua base, a otimização da topologia trata da eliminação de erros. Ao realizar testes de estresse, o processo leva em conta uma ampla gama de variáveis ​​e evita suposições arriscadas que podem levar a produtos com defeito.

Aplicativos de otimização de topologia

Os designs de alto desempenho, eficientes e leves possíveis com técnicas de otimização de topologia se aplicam a uma ampla variedade de setores.

Aeroespacial

Devido à importância da redução de peso, a otimização da topologia é uma combinação natural para a engenharia aeroespacial e aeronáutica. TO foi usado, por exemplo, para melhorar o projeto de layout para estruturas de fuselagem, como reforços ou suportes para aeronaves.

Além de permitir a redução do peso estrutural, a otimização da topologia pode ajudar a desbloquear o potencial de tecnologias de manufatura avançadas, como manufatura aditiva ou materiais compostos, que são cada vez mais populares no setor.

Otimização da topologia de um componente de nervura de borda do Airbus A380. (fonte)

Automotivo

Na indústria automotiva, a otimização da topologia equilibra a necessidade de peças leves para eficiência de combustível e potência com a estabilidade e força de uma carroceria que pode suportar torque e impacto.

Além da economia de massa, a otimização da topologia também pode melhorar a segurança dos passageiros, definindo a forma como uma estrutura desaba durante um acidente.

Uma estrutura de motocicleta otimizada com topologia leve, fabricada com impressão 3D de metal. (fonte)

Médico

A manufatura aditiva é ideal para a criação de implantes médicos, pois capacita os profissionais médicos a criar formas e superfícies de forma livre e estruturas porosas. Graças à otimização da topologia, os projetos podem apresentar estruturas de rede que são mais leves, fornecem osseointegração aprimorada e duram mais do que outros implantes.

As ferramentas TO também podem otimizar os projetos de andaimes biodegradáveis ​​para engenharia de tecidos, implantes porosos e ortopedia leve. Os aplicativos de nanotecnologia - como manipulação de células, cirurgia, microfluidos e sistemas ópticos - também usam a otimização da topologia.

Implante de crânio, produzido com manufatura aditiva de metal. Fonte:Autodesk

Software de otimização de topologia

Os projetistas estão reconhecendo cada vez mais a versatilidade, velocidade e recursos robustos de otimização da topologia de aproveitamento. As empresas de software estão respondendo fornecendo os kits de ferramentas necessários, seja em suas ofertas pré-existentes ou por meio de novas soluções de software.

A seguir estão alguns exemplos de software de otimização de topologia:

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  A nTopology oferece um “conjunto de ferramentas exclusivo de design generativo e recursos de automação”, acelerando o processo de design ao combinar geometria avançada, simulações e dados experimentais. Seu mecanismo de geometria se aplica a uma variedade de aplicações, desde aeroespacial e automotiva até o design de capacetes de futebol americano e dispositivos específicos para pacientes na área médica.
  
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  SOLIDWORKS Simulation Solutions apresenta otimização de topologia entre suas ferramentas de análise estrutural e oferece vários métodos para levar esses projetos otimizados de volta para um ambiente CAD.
  
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  A plataforma CAD baseada em nuvem Fusion 360 da Autodesk oferece otimização de formas e recursos avançados para dar suporte à verificação de projeto para manufatura em ferramentas de fabricação tradicionais e digitais, como impressão 3D.
  
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  O software de design generativo Creo 7.0 inclui a extensão Generative Topology Optimization, permitindo que os usuários considerem as restrições e requisitos do produto e “explorem rapidamente opções de design inovador para reduzir o tempo e despesas de desenvolvimento”.
  
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  Altaire OptiStruct integra otimização e análise estrutural. Especializado em eficiência leve e estrutural, ele apresenta um método proprietário de otimização da topologia no projeto de estruturas reticuladas. Seu ambiente multifísico integrado - incluindo transferência de calor, vibrações e acústica, dinâmica do rotor e rigidez e estabilidade - auxilia no design em áreas como eletrônicos de consumo, aeromodelagem e tecnologias médicas.
  
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  O Tosca Structure funciona dentro do software FEA e possui modelos de simulação realistas com a capacidade de alterar a geometria de forma rápida e confiável. Sua capacidade de transformação permite a otimização da forma na mistura de elementos finitos existente, ignorando as etapas intermediárias, e é especialmente importante para projetistas de estruturas mecânicas.
  

Um futuro brilhante para a inovação

Os engenheiros estão cada vez mais usando métodos inovadores para projetar protótipos, peças de máquinas e bens de consumo.

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Fonte da imagem de capa:nTopology