Reducerea dimensiunii pieselor, reducerea numărului de piese și reducerea greutății pieselor reprezintă căutarea necruțătoare în domeniul aerospațial, al producției de automobile și în alte domenii. De exemplu, fiecare gram de reducere a greutății aeronavei echivalează cu reducerea multor consum de combustibil în timpul serviciului. Ca un alt exemplu, prin reducerea dimensiunii componentelor satelitului, se poate oferi mai mult spațiu pentru a crește puterea bateriei, crescând astfel timpul de ședere a satelitului în spațiu.
Trebuie remarcat faptul că greutatea ușoară este în general înțeleasă ca îndepărtarea materialului dintr-o componentă sau piesă pentru a reduce greutatea acestuia. Acesta este ceea ce se întâmplă și de aceea se pune adesea accent pe „reducerea materialului” sau înlocuirea unor materiale cu alte materiale ușoare.
Prin alegerea unui material cu o rezistență specifică mai mare, greutatea totală a piesei poate fi redusă. De exemplu, dacă comparăm oțelul inoxidabil, aliajul de aluminiu și aliajul de titan, aliajul de titan are o rezistență specifică mai mare și poate folosi mai puțin material pentru a atinge același nivel de performanță.
Prin urmare, această concentrare asupra materialelor influențează proiectarea pieselor care reflectă modul în care schimbările fundamentale de proiectare pot ajuta la minimizarea consumului de materiale și, în cele din urmă, la reducerea timpului de construcție.
Deoarece greutatea ușoară a oricărei structuri va afecta direct proprietățile mecanice ale pieselor, fabricabilitatea este unul dintre cei mai importanți factori care afectează greutatea. Puteți avea cel mai ușor și mai performant design teoretic, dar dacă nu poate fi fabricat, acest design este inutil. devin inutile.
Un alt factor important este costul piesei. Dacă piesa ușoară este proiectată prost folosind optimizarea topologiei, vor exista costuri suplimentare pentru îndepărtarea structurilor de susținere excesive și adăugarea de tratamente de suprafață. Pe de altă parte, imprimarea rețelelor cu matrice de puncte și a structurilor TPMS poate crește timpul de imprimare 3D, ceea ce duce la costuri de producție mai mari ale piesei.
Producătorii folosesc producția aditivă de două decenii, dar numai în ultimii ani imprimarea 3D a înregistrat progrese în ceea ce privește piesele ușoare și au stabilit noi strategii software pentru ușoare.
Optimizarea topologiei și proiectarea generativă
Una dintre strategiile software frecvent explorate în ceea ce privește greutatea ușoară este optimizarea topologiei: capacitatea de optimizare a topologiei, bazată pe metoda elementelor finite (FEM) pentru a optimiza alocarea materialului unei piese pentru obiective de rigiditate sau rezistență, permite proiectarea ușoară a părții. Această strategie de proiectare optimizează aspectul materialului într-un anumit spațiu de proiectare pentru un anumit set de sarcini, condiții la limită și constrângeri.
Pe piață, Topology Optimization (Topology Optimization) și Generative Design (Generative Design) sunt de obicei confundate în multe cazuri, dar după un studiu atent, Generative Design (Generative Design) se bazează pe niște parametri inițiali prin iterație și ajustare. Găsiți un model (optimizat). Optimizarea topologiei (Topology Optimization) este de a analiza un model dat. Este obișnuit să se efectueze analize cu elemente finite pe baza condițiilor la limită și apoi să se deformeze sau să se ștergă modelul pentru a-l optimiza.
Designul generativ este un proces de interacțiune om-calculator și auto-inovare. Conform intenției de proiectare a utilizatorului de intrare, prin sistemul „generativ”, modelul geometric al planului de proiectare potențial fezabil este generat și apoi comparat cuprinzător, iar planul de proiectare selectat este împins proiectantului pentru decizia finală.
Înțeles în mod obișnuit, designul generativ este o metodă de proiectare care generează automat lucrări de artă, modele arhitecturale și modele de produse prin algoritmi din software-ul de proiectare. Proiectarea generativă este o metodă de modelare parametrică. În timpul procesului de proiectare, după ce designerul introduce parametrii produsului, algoritmul se va ajusta și va evalua automat până la obținerea designului optim.
Structură cu zăbrele sau TPMS
Datorită apariției tehnicilor de fabricație aditivă, structurile celulare periodice, în special suprafețele minime periodice triple (TPMS), au atras un interes extins de cercetare. Un TPMS este în esență cea mai mică suprafață unde curbura medie a tuturor punctelor este zero. Structura TPMS poate fi modelată matematic și poate fi modelată în mod repetat în trei direcții. Acest model permite celulelor TPMS să crească în trei direcții reciproc perpendiculare, formând o matrice 3D de celule TPMS.
TPMS este o suprafață minimă triplă periodică (TPMS). Pentru aplicații structurale, designul TPMS prezintă un raport ridicat rezistență-greutate. Folosit împreună cu tehnicile de fabricație aditivă, permite proiectanților să creeze structuri multifuncționale cu proprietăți de rezistență ridicată și de disipare a căldurii.
Umplerea structurilor cu zăbrele sau TPMS sunt abordări interesante de explorat în acest sens, de exemplu, software-ul de fabricație aditivă Cognitive Design a creat o bază de date mare cu astfel de metamateriale și proprietățile lor mecanice. Infill Optimizer, parte din Cognitive Additive, plasează în mod inteligent astfel de structuri pe baza căilor de stres, reducând greutatea totală fără a compromite performanța mecanică.
Integrare structurală
Integrarea structurală este o strategie care necesită expertiză solidă și capacitatea de a integra mai multe părți într-una singură. Dacă este proiectată corespunzător, piesa poate oferi o funcționalitate îmbunătățită. De exemplu, în urmă cu câțiva ani, Airbus și 3D Systems au dezvoltat primul filtru de radiofrecvență (RF) imprimat 3D din metal, testat și validat pentru utilizare în sateliții comerciali de telecomunicații.
În mod tradițional, filtrele RF sunt proiectate folosind componente standard, cum ar fi cavitățile dreptunghiulare și secțiunile transversale ale ghidurilor de undă cu îndoituri verticale, ale căror formă și conexiuni sunt determinate de procese standard, cum ar fi frezarea și EDM.
De obicei, cavitatea pentru un filtru RF este prelucrată în două părți care sunt prinse împreună, ceea ce nu numai că adaugă greutate, dar adaugă și o etapă de asamblare și un proces suplimentar de inspecție a calității. Folosind software-ul CST MWS, un instrument de simulare electromagnetică 3D, echipa 3D Systems a dezvoltat o cavitate eliptică încasată pentru a ghida curentul RF, un design care a redus costurile de producție și a redus greutatea cu 50%.
O nouă soluție software bazată pe inteligență artificială le permite inginerilor de proiectare să „programeze” algoritmi și, în acest fel, proiectele lor evoluează și se dezvoltă în produse de forme complexe care pot fi fabricate cu ușurință prin fabricarea aditivă.
Această tendință va continua, probabil la infinit, pe măsură ce soluțiile software continuă să evolueze. La fel ca observarea și analiza „The Future of Artificial Intelligence and Design - 2017 Design and Artificial Intelligence Report” de Fan Ling de la Tongji x Tezan Design and Artificial Intelligence Laboratory: tendința de segmentare extremă pe partea cererii trebuie să să fie egalat de inteligența artificială din partea ofertei; Tendința online/conexiune/interacțiune s-a dezvoltat treptat de la informații online, relații online și lucruri online la diverse competențe online și, în cele din urmă, va fi online pentru inimă și creier – inteligență artificială/AI; însoțiți de Indivizi de neînlocuit cu abilități super-segmentate vor continua să apară, iar epoca mediocrității se va încheia; viitoarea organizație va fi o nouă organizare a interacțiunii om/calculator și ei vor atribui în mod flexibil sarcini talentelor externe, talentelor interne sau mașinilor pentru a le finaliza automat. Mecanismul integrează întregul flux de lucru de proiectare pentru a obține calea optimă de finalizare a sarcinii.