Топологическая оптимизация или генеративное проектирование: какой инструмент выбрать?

Содержание

• О методах
• Преимущества в сочетании с 3D печатью
• Преимущества и ограничения
• Использование инструментов проектирования
• Программное обеспечение
• Итог

Производство становится еще быстрее, а детали отвечают все более высоким требованиям. Для этого выпускаемая продукция должна быть оптимизирована, чтобы стать еще более эффективной. Часто это означает уменьшение веса деталей при одновременном стремлении к большей прочности и производительности. И это уравнение «меньше значит больше» начинается с концепции! Хотя дизайнеры стремятся работать над проектами в этом направлении, новые технологии, такие как искусственный интеллект и машинное обучение, открывают новые возможности с оптимизацией топологии и генеративным проектированием.

Оптимизация топологии и генеративное проектирование — это два подхода, которые с помощью компьютерных вычислений оптимизируют конструкции так, чтобы они были полностью эффективными и экономили затраты, с одной стороны, и производственные ресурсы, с другой стороны. Хотя эти два метода преследуют схожие цели, их не следует отождествлять или путать. Ниже мы объясним, что подразумевается под оптимизацией топологии и генеративным проектированием, какие есть преимущества и проблемы этих методов, расскажем о конкретных областях применения, а также объясним их полезность в сочетании с 3D печатью.

О методах

Оптимизация топологии сама по себе не является новым методом и используется с начала 1990-х годов для оптимизации 3D моделей таким образом, чтобы сохранить основные функции и одновременно сэкономить материалы, когда деталь не должна выдерживать нагрузки. Оптимизация топологии всегда начинается с человеческого проектирования, которое необходимо адаптировать так, чтобы производительность не снижалась, несмотря на экономию. Однако для этого необходимо определить определенные условия, например, принять во внимание действующие силы и определить сохраняемые области. Затем компьютерные алгоритмы создают сетчатую модель, структурная целостность которой должна быть проверена в ходе анализа методом конечных элементов (FEA). Затем результат должен быть проверен и, возможно, адаптирован инженером САПР.

В то время как окончательному проекту после оптимизации топологии всегда предшествует заранее установленная концепция, которую необходимо улучшить (обычно в отношении материалов и веса), генеративное проектирование обходится без базового проекта. Это заметная разница. В генеративном проектировании «ограничения» (условия) устанавливаются для создания столько новых проектов, сколько необходимо для изучения множества возможностей. Этими ограничениями могут быть блокирующие поверхности, используемый материал, выбранный производственный процесс, затраты и т. д. Затем искусственный интеллект позволяет разрабатывать различные варианты дизайна, соответствующие ранее определенным параметрам. Важно отметить, что генеративный дизайн не гарантирует оптимальное решение с самого начала, а рассматривает возможные компромиссы между поставленными целями (такими как вес, расход материала и затраты) и предлагает несколько вариантов, исходя из предпочтений пользователя. Тогда необходимы – как и в случае топологической оптимизации – инженеры, которые сначала определяют эти условия и, наконец, выбирают окончательный проект из бесчисленных возможностей.

Преимущества в сочетании с 3D печатью

Оба решения поддерживают разработку продуктов с использованием компьютерных механизмов и создают оптимизированные конструкции с точки зрения легкости, снижения затрат, экономии материалов и т. д. при сохранении или улучшении качества компонентов. Также стоит добавить, что предлагаемые конструкции всегда вдохновлены явлениями природы и имеют сходство с костными структурами, ульями, кораллами и т. д. В то время как топологическая оптимизация приводит к созданию единого окончательного проекта, генеративный дизайн предлагает несколько возможностей в зависимости от определенных ограничений.

Таким образом, оптимизация топологии и генеративное проектирование по-разному ведут к созданию оптимальной конструкции, но возможно, что эти конструкции создают проблемы на следующем этапе производства. Не все производственные процессы позволяют создавать сложные конструкции со вложенной геометрией, выступами и переменной толщиной стенок, которые иногда предлагаются как часть оптимизации.

Вот почему потенциал этих двух инструментов можно особенно хорошо использовать в сочетании с 3D печатью. С одной стороны, поскольку оба решения создают конструкции, которые было бы невозможно или трудно реализовать с помощью традиционных процессов; с другой стороны, потому что конструкции могут создаваться в зависимости от метода производства. Таким образом, в случае генеративного проектирования можно с самого начала определить, что деталь будет изготовлена ​​методом аддитивного производства, и программное обеспечение примет это условие во внимание и, следовательно, будет генерировать только решения, которые могут быть достигнуты с помощью технологии 3D печати.

Это не относится к оптимизации топологии. Инженер САПР должен проверить созданный проект и, возможно, усовершенствовать его с учетом метода производства. Например, если деталь изготовлена ​​методом 3D печати, в зависимости от используемого метода могут потребоваться опорные конструкции. Затем инженер-проектировщик должен определить, где и как их можно разместить.

Преимущества и ограничения

Одним из преимуществ обоих методов является то, что проекты оптимизируются на основе параметров, установленных с помощью алгоритмов или искусственного интеллекта. Это экономит время, материалы и, следовательно, затраты. Генеративный дизайн позволяет создавать сотни и даже тысячи вариантов дизайна и сравнивать их между собой, не теряя времени. Моделирование и тестирование уже являются частью процесса проектирования, что позволяет избежать дорогостоящих переделок. Стоимость также можно определить как условие генеративного проектирования, тогда как оптимизация топологии концепции компонента не дает понимания затрат.

Множество возможностей дизайна в генеративном дизайне могут быть преимуществом для демонстрации разнообразных решений. При оптимизации топологии в конечном итоге остается только один окончательный проект. В этом случае инженер все равно должен совершенствовать и проверять, тогда как при использовании другого инструмента он применяет свои ноу-хау для выбора. Ключевым преимуществом является то, что в конце процесса генеративного проектирования проекты доступны в файле САПР, который можно экспортировать в виде файла STEP, например, для изготовления детали методом аддитивного производства и упрощения остальной части производственной цепочки. Модель, полученную путем оптимизации топологии, сначала необходимо преобразовать в файл САПР.

Хотя оба этих решения для автоматизированного проектирования имеют много положительных стимулов, они также сопряжены с некоторыми проблемами. С одной стороны, программные решения для генеративного проектирования и оптимизации топологии очень дороги, а с другой стороны, их правильное и эффективное использование требует специальных знаний. Оптимизация топологии уже является проверенным методом, и за прошедшие годы с ним познакомились многие крупные компании. С другой стороны, генеративный дизайн стал возможен и популярен только в последние годы. Несмотря на то, что они позволяют находить больше решений, программное обеспечение для генеративного проектирования еще не получило широкого распространения.

В обоих процессах не обойтись без дизайнеров САПР и их опыта. Они должны изучить свойства материалов и технологию производства, а также проанализировать проекты с точки зрения осуществимости. Конечное использование также должно учитываться в процессе проектирования. Проекты, созданные с помощью ИИ, возможно, являются наиболее функционально оптимальными, но зачастую они выглядят не очень хорошо. При необходимости дизайнеры должны внести коррективы с точки зрения эстетики, а также тактильных ощущений, акустики и запаха, поскольку эти сенсорные стимулы имеют решающее значение для конечных пользователей продукта. Именно в этих сенсорных точках топологическая оптимизация и генеративное проектирование достигают своих пределов и не могут (пока) заменить человека в процессе проектирования. Однако эти два конструктивных решения открывают широкий спектр возможностей во многих приложениях.

Использование инструментов проектирования

Хотя различные области применения часто пересекаются, методы различаются подходами и приложениями. Оптимизация топологии всегда работает в определенных пределах, удаляя материал из заданной базовой формы и одновременно выполняя моделирование FEA для повышения производительности. С другой стороны, генеративный дизайн идет немного дальше. Он использует алгоритмы для разработки новых и креативных решений, которые не только оптимизируют распределение материалов, но и расширяют пространство дизайна. Оптимизация топологии и генеративное проектирование используются в тех же секторах, где физические свойства компонента имеют решающее значение, например, в аэрокосмической или автомобильной промышленности, а также в творческих секторах и архитектуре.

Аэрокосмическая отрасль

В аэрокосмической отрасли оптимизация топологии помогает улучшить существующие конструкции для создания более легких деталей самолетов, таких как ребра жесткости, что помогает снизить расход топлива. В качестве примера можно привести работу Андреаса Бастиана, который разработал сиденья для самолетов, которые стали на 54% легче, что значительно снизило вес самолета в целом. Но генеративный дизайн также используется такими компаниями, как Airbus, для создания более прочных деталей и креативных компонентов. Хорошо известным примером является переборка самолета Airbus A320, которая была изготовлена ​​с учетом естественных процессов роста.

Автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности оптимизация топологии способствует разработке легких, устойчивых и безопасных транспортных средств за счет улучшения существующих конструкций и снижения их веса. Таким образом, система подвески Fiat Chrysler была уменьшена на 36% благодаря интеграции более двенадцати различных компонентов в одну деталь. Генеративное проектирование также используется для оптимизации автомобильных компонентов путем создания новых решений. Это позволяет компаниям улучшить характеристики своей продукции и удовлетворить растущие требования по защите окружающей среды. Bugatti, например, использовала программное обеспечение генеративного проектирования для разработки системы управления крылом Chiron, что привело к оптимизации сборки и снижению веса более чем на 50 процентов. Но Porsche также использовала генеративный дизайн для производства инновационного поршня для высокопроизводительного двигателя 911 GT2 RS.

Медицина

В медицинской сфере эти два инструмента моделирования также играют решающую роль. Примером применения оптимизации топологии являются индивидуальные имплантаты NuVasive, в которых используются решетчатые конструкции для снижения веса без ущерба для стабильности. Для сравнения, генеративный дизайн позволяет использовать передовые решения, особенно в области остеоинтеграции, где имплантаты проектируются так, чтобы напоминать структуру натуральной кости. Это способствует росту новой костной ткани на 3D печатном имплантате, что повышает долговременную стабильность. В то время как оптимизация топологии в области медицины часто направлена ​​на повышение эффективности и снижение веса, генеративное проектирование направлено на оптимальную адаптацию к индивидуальной анатомии пациента, особенно при изготовлении протезов для конкретного пациента.

Архитектура и строительство

Кроме того, генеративный дизайн используется в архитектуре и строительстве для создания новых и функциональных концепций пространств, одновременно обеспечивая решение сложных проблем проектирования. Оптимизация топологии также все чаще используется в архитектуре для улучшения существующих форм зданий и увеличения несущей способности. Оба эти метода позволяют архитекторам проектировать более эффективные конструкции на этапе проектирования, часто черпая вдохновение из природных структур. Одним из примеров является мост компании MX3D, построенный над каналом в Амстердаме с использованием генеративного проектирования.

Мода и ювелирное дело

Индустрия моды и ювелирных изделий в основном использует генеративный дизайн, поскольку основное внимание уделяется не оптимизации таких факторов, как вес, а больше созданию креативных и оригинальных форм. Дизайнер Юлия Кёрнер — один из примеров: она создала инновационные 3D печатные костюмы для блокбастера «Черная пантера». Анук Виппрехт также использует генеративный дизайн, например для своего ScreenDress, который затем был создан с использованием технологии MultiJet Fusion. Здесь речь идет, прежде всего, о расширении границ традиционной моды и создании новых эстетических структур с использованием процессов цифрового дизайна.

Программное обеспечение

Для эффективного использования оптимизации топологии и генеративного проектирования необходимы специализированные программные решения. Для оптимизации топологии идеально подходят такие инструменты, как 3DXpert компании Oqton, особенно для имплантатов и сложной геометрии. Altair Inspire также идеально подходит для применения в автомобильной и аэрокосмической промышленности. Ansys Discovery и Netfabb обеспечивают поддержку оптимизации топологии для обеспечения стабильной 3D печати. Еще одно программное решение — CogniCAD от ParaMatters, облачная платформа, сочетающая оптимизацию топологии и генеративное проектирование и специализирующаяся на сложных 3D конструкциях.

Z88Arion® — это бесплатное программное обеспечение, имеющее три алгоритма оптимизации топологии. Siemens NX-12, с другой стороны, выделяется внедрением оптимизации топологии на основе технологии конвергентного моделирования, которая обеспечивает безупречное 3D моделирование и приводит к созданию более легких, но более надежных компонентов. Программное обеспечение подходит как для генеративного проектирования, так и для оптимизации топологии.

Для генеративного проектирования nTopology предлагает nTop, мощное программное обеспечение, которое предоставляет генеративные инструменты для индивидуальных требований. Autodesk Fusion 360 также является хорошим выбором, поскольку обладает такими функциями, как создание эскизов, моделирование поверхностей и рендеринг, и может использоваться для оптимизации топологии и генеративного проектирования. Другое программное обеспечение — Creo Parametric и Creo Generative Design, которые используют облачные технологии для создания оптимизированных концепций проектирования и быстрой реализации экономичных проектов. MSC Apex Generative Design от Hexagon подходит для создания детальных и сложных конструкций.

Правильное программное обеспечение является решающим партнером при реализации проектов топологической оптимизации и генеративного проектирования. На современном рынке решения генеративного проектирования, как правило, стоят дороже, чем решения по оптимизации топологии. Однако в зависимости от бюджета и целей можно найти то, что нужно. В любом случае инженерам рекомендуется ознакомиться с программным обеспечением, поскольку оно более или менее интуитивно понятно. Опыт необходим для максимально эффективного использования преимуществ оптимизации топологии и генеративного проектирования.

Итог

Оба метода проектирования позволяют быстро и эффективно справиться с созданием проекта. Возможность применения в разных отраслях делает оба инструмента универсальными для разных отраслей и открывают множество преимуществ для проектирования и дальнейшего производства.

Наши предыдущие статьи: