Optymalizacja Topologiczna Generative Design w projektowaniu

Projektowanie maszyn – Optymalizacja Topologiczna i Generative Design

Ludzkość od zarania dziejów dąży do osiągnięcia doskonałości w każdej dziedzinie, również w projektowaniu maszyn. Chociaż istnieje powiedzenie „lepsze jest wrogiem dobrego”, człowiek nie spoczywa na laurach – konstruktorzy ciągle pracują nad udoskonalaniem istniejących urządzeń poprzez wykorzystanie metod CAD. Tańsza, lżejsza, bardziej wytrzymała – takie cechy powinna mieć idealnie zaprojektowania maszyna.

W tym artykule dowiesz się, w jaki sposób powstają nowoczesne produkty, na czym polega i do czego służy optymalizacja topologiczna oraz Generative Design. Poznasz również kilka programów, z których możesz skorzystać, aby stworzyć innowacyjny produkt.

Projektowanie 3d za pomocą metod CAD, a tradycyjne metody projektowania maszyn

Jednym z najważniejszych etapów tworzenia nowego przedmiotu jest proces projektowania 3D. Obecnie szeroko wykorzystuje się metody CAD (Computer Aided Design). Ciężko wyobrazić sobie, w jaki sposób przebiegało projektowanie maszyn, opisanych w całości ręcznie na zwykłej kartce papieru. Pozostaje tylko chylić czoła umiejętnościom „inżynierów starej daty”.

Projektowanie maszyn i Optymalizacja Topologiczna

Optymalizacja topologiczna (ang. Topology Optimization, w skrócie. TO), to jeden ze sposobów poprawy kształtu przedmiotu.

Podczas optymalizacji dąży się do takiego rozmieszczenia masy w pewnej ograniczonej przestrzeni, aby po zadaniu obciążenia, dla zdefiniowanych warunków brzegowych, otrzymany kształt projektowanej maszyny był optymalny. W praktyce optymalizacja topologiczna opiera się na znajdowaniu ekstremów (minimów oraz maksimów) danej funkcji lub funkcjonału. Najczęściej używaną funkcją jest zależność, opisująca podatność. Jej minimalizacja prowadzi do zwiększenia sztywności, a to jest zwykle celem optymalizacji topologicznej.

Najważniejszym elementem tej metody jest dokładne określenie obszaru projektowego Ω.

Podczas Optymalizacji Topologicznej, w obszarze tym tworzone są podobszary wypełnione materiałem oraz podobszary, w których materiał został usunięty. Zakłada się przy tym, że ciągłość materiału w obszarze zostaje zachowana, a następnie dokonuje się dyskretyzacji obszaru, dzieląc go na elementy o objętości dążącej do 0, które podczas obliczeń są osobno rozpatrywane.

Optymalizacja podczas projektowania 3d – Wykorzystanie MES

Podczas obliczeń program bazuje na Metodzie Elementów Skończonych (MES, ang. Finite Element Analysis, FEA), a do uzyskania optymalnych wyników wykorzystuje zaawansowane algorytmy (w tym programowanie matematyczne, algorytmy bezgradientowe, np. genetyczne i wiele innych).

Matematyczne zależności, na których opiera się proces optymalizacji topologicznej, są bardzo skomplikowane, a w praktyce inżynierskiej wykorzystanie optymalizacji zwykle ogranicza się do znajomości programu. Nie będę więc przytaczał formuł opisujących obliczenia przy projektowaniu 3d tą metodą, żeby nie wystraszyć czytelnika na tak wczesnym etapie artykułu.

Odważnym wydaje się stwierdzenie, że program do projektowania maszyn to tylko narzędzie w rękach inżyniera i nie musi on do końca znać zasady jego działania – tak jak w przypadku kalkulatora, którym posługujemy się przy obliczeniach pomimo tego, że nie znamy się na elektronice.

Działanie programu do projektowania 3d i optymalizacji

Optymalizacja topologiczna, tak jak wiele technologii optymalizacyjnych, bazuje na MES. Na samym początku projektowania 3D przestrzeń projektowa (w tym przypadku ulepszana część) wypełniana jest siatką regularnych elementów skończonych. Po przyłożeniu obciążeń, zdefiniowaniu kontaktów i utwierdzeń materiału przeprowadzana jest standardowa analiza, która pokazuje przebieg naprężenia wewnątrz obszaru projektowego.

Każdy pojedynczy element w analizie MES posiada pewną wartość naprężenia i energii odkształcenia. Te z nich, które charakteryzują się niewielkim obciążeniem i zgromadzoną energią zostają usunięte z siatki. Nie jest to jednak takie proste, jakby się mogło wydawać.

Program do projektowania 3D otrzymuje od użytkownika cel – przykładowo, zmniejszenie objętości do 30% objętości początkowej. Oznacza to, że pozostałe 70% elementów siatki zostanie usunięte. Nie odbywa się to w jednym kroku. Program do projektowania 3D stopniowo „odcina” część siatki, po czym sprawdza naprężenia i na ich podstawie dokonuje kolejnych kalkulacji. Obliczenia odbywają się więc iteracyjnie.

Analiza i obliczenia MES – Proces usuwania siatki

Sam proces usuwania elementów siatki i obliczeń MES również nie przebiega ot tak. Z technicznego punktu widzenia, ta operacja jest skomplikowania i wymaga sporych zasobów. Program do projektowania 3D, zamiast permanentnego kasowania elementów, stosuje tzw. „soft kill” – stopniowo zmniejsza ich gęstość względną oraz sztywność, po czym bada zachowanie przedmiotu pod wpływem obciążenia.

W wielu przypadkach program nie potrafi jasno określić, czy dany element można w całości usunąć, czy też nie. Gdyby elementy przeznaczone do zachowania oznaczyć na biało, a te do usunięcia na czarno, to większość elementów byłaby zachowana w odcieniach szarości. Co to w praktyce oznacza?

Elementy takie nie mają fizycznego odwzorowania, jednak dla programu do projektowania 3D są ważne, ponieważ pozwalają określić najbardziej efektywne rozmieszczenie materiału – w tym regiony, które muszą zostać zachowane, jak i te, które bez żadnych konsekwencji mogą zostać usunięte. Im lepiej zdefiniowana ścieżka obciążenia, tym wyraźniej zostanie określona dystrybucja materiału i tym bardziej czarno – biały będzie otrzymany kształt.

Generative Design – sztuczna inteligencja w projektowaniu 3D

A co, jeśli chcielibyśmy przejść krok dalej podczas projektowania 3d? Zamiast udoskonalać istniejącą konstrukcje, dalibyśmy AI wolną rękę w tworzeniu geometrii i wybrali odpowiednie rozwiązanie z dostępnych kształtów, wygenerowanych automatycznie. Brzmi nieprawdopodobnie, jednak takie rozwiązanie istnieje już od jakiegoś czasu i jest coraz częściej wykorzystywane przy projektowaniu maszyn.

Generative Design jako jeden ze sposobów optymalizacji konstrukcji

Generative Design jest jedną z nowoczesnych metod optymalizacji konstrukcji. To technologia, która według wielu ma wielki potencjał i może odegrać znaczącą rolę w przyszłości. Wykorzystując ją, projektant niejako odwraca dotychczasowy proces tworzenia projektu 3d – do tej pory program komputerowy służył jako narzędzie odwzorowujące wymyślony przez konstruktora kształt.

W technologii Generative Design jest odwrotnie – to właśnie komputer, za pośrednictwem skomplikowanych algorytmów i formuł matematycznych generuje bryłę, a w zasadzie szereg różnych brył, spośród których projektant może wybrać najbardziej odpowiadającą jego wymaganiom.

Karol Darwin, a projektowanie 3D

Proces generowania kształtów inspirowany jest jedną z fundamentalnych teorii w przyrodzie – zaproponowaną przez Karola Darwina teorią ewolucji. Zgodnie z nią organizmy lepiej przystosowane do życia przetrwają, wydając potomstwo.

Każde kolejne pokolenie, bazując na cechach rodziców, przy uwzględnieniu zasad doboru naturalnego, konkurencji oraz ciągłego „ulepszania się”, jeszcze lepiej dopasowuje się do otoczenia i w efekcie powstaje coraz doskonalszy i lepiej przystosowany organizm.
Podobnie wygląda proces generowania przez sztuczną inteligencję kształtu.

Jeśli wygenerowany kształt się nie sprawdzi, zostaje odrzucony, jeśli zaś osiągnie zadowalające efekty, w kolejnych iteracjach program do projektowania maszyn będzie go wykorzystywał, próbując osiągnąć jeszcze lepsze parametry.

Można więc powiedzieć, że program „uczy się” na podstawie własnego doświadczenia – wyciąga własne wnioski poprzez bazowanie na sprawdzonych rozwiązaniach. Efekty działania Generative Design’u są zdumiewające – pozornie zwyczajne przedmioty zyskują zupełnie nową postać.

Optymalizacja Topologiczna, a Generative Design – podobieństwa i różnice

Obie metody optymalizacyjne bazują na obliczeniach z wykorzystaniem MES. Proces definiowania obciążeń, więzów oraz warunków brzegowych jest niemal identyczny, podobnie jak określanie celów.

Z tych względów wiele osób myli optymalizację topologiczną i generative design, błędnie uznając je za tożsame. Podstawowa różnica jest jednak bardzo wyraźna:

Generative Design prowadzi do uzyskania całkiem nowej geometrii, Optymalizacja Topologiczna pozwala na ulepszenie już istniejącej.

W przypadku GD nie jest konieczne definiowanie przestrzeni projektowej, natomiast w przypadku TO, jest to jedna z podstawowych wielkości, określana na samym początku obliczeń.

Wady i ograniczenia Optymalizacji Topologicznej i Generative Design

Może się wydawać, że obecne technologie wykorzystywane w projektowaniu maszyn są pozbawione wad. Niestety, nawet one posiadają pewne ograniczenia. Istnieje kilka problemów, związanych z praktycznym wykorzystaniem nowoczesnych technologii projektowania 3D:

Pierwsze ograniczenie Optymalizacji Topologicznej i Generative Design

Geometria stworzona i sprawdzona na podstawie obliczeń z wykorzystaniem MES wymaga weryfikacji poprawności w warunkach rzeczywistych. Innymi słowy, nawet najlepszy model komputerowy, sprawdzony na wiele sposobów może w rzeczywistości okazać się wadliwy. Wynika to z charakterystyki metody – mówiąc obrazowo MES to broń obosieczna, którą można pokonać dane zagadnienie, jednak równie łatwo można się skaleczyć 😀 .

Wystarczy niewłaściwie zdefiniować warunki brzegowe, czy obciążenie, aby otrzymać niepoprawne wyniki. Oczywiście, doświadczony inżynier potrafi na podstawie własnej wiedzy odpowiednio zinterpretować wyniki oraz z reguły na pierwszy rzut oka zauważyć, że gdzieś został popełniony błąd. Niestety, początkujący konstruktorzy zajmujący się projektowaniem maszyn często traktują wyniki otrzymane w wyniku symulacji bezkrytycznie, co jest obarczone dużym ryzykiem.

Drugie ograniczenie Optymalizacji Topologicznej i Generative Design

Model zaprojektowanej maszyny otrzymany w wyniku obliczeń komputerowych musi zostać odpowiednio obrobiony. W obecnie używanych programach jako rezultat obliczeń optymalizacyjnych otrzymuje się obiekt siatkowy (mesh), składający się z płaszczyzn, których wielkość zależy od zastosowanej siatki Elementów Skończonych.

Konieczne jest zatem wygładzenie siatki i na podstawie modelu siatkowego projektowanej maszyny, wygenerowanie obiektu bryłowego, który możemy w dalszej kolejności edytować. Można również wykonać model od zera, bazując na otrzymanej siatce –
dla płaskich elementów wykonać obrys kształtu siatki i usunąć zbędny materiał. W przypadku złożonej geometrii modelu siatkowego rozwiązanie to jest bardzo czasochłonne.

Trzecie ograniczenie Optymalizacji Topologicznej i Generative Design

Działanie programów wykonujących analizy wytrzymałościowe i optymalizacyjne za pomocą CAD związane jest z wykonywaniem serii iteracji i sprawdzaniem wielu przypadków obciążenia. Oczywiście, związane jest to ze zwiększoną konsumpcją zasobów systemowych komputera.

Jeśli więc posiadany komputer nie jest profesjonalną stacją roboczą, to wykonanie nawet stosunkowo prostych analiz statycznych będzie czasochłonne, nie wspominając o bardziej zaawansowanych obliczeniach nieliniowych, uwzględniających złożoną geometrię oraz obciążenie.

Czwarte ograniczenie Optymalizacji Topologicznej i Generative Design

Kształty generowane w wyniku optymalizacji bądź z wykorzystaniem Generative Design za pomocą CAD mają bardzo organiczny charakter, tzn. nie są złożone z podstawowych brył: walców, prostopadłościanów, lecz zamiast tego dominują płynne formy, zaczerpnięte z natury, na pierwszy rzut oka przypominające gałęzie czy korzenie drzew.

Uzyskanie takiej geometrii na konwencjonalnych obrabiarkach jest niemożliwe.

Wykonanie formy do odlewu jest kosztowne i wymagające, a otrzymany odlew i tak będzie musiał zostać obrobiony dla uzyskania odpowiedniej jakości powierzchni.

Druk 3D jako ułatwienie optymalizacji konstrukcji i projektowania maszyn

Postęp w projektowaniu 3D musi być połączony z rozwojem technik wytwarzania. Co z tego, że zaprojektowalibyśmy maszynę, jeśli nie moglibyśmy jej wykonać i praktycznie wykorzystać. Na szczęście, na ratunek projektantom przychodzą addytywne metody wytwarzania, przede wszystkim druk 3D.

Zastosowanie drukarek 3D w produkcji elementów konstrukcyjnych dla projektowanych maszyn niesie ze sobą ogromne możliwości. Projektant może uzyskać kształty, które w przypadku konwencjonalnych metod byłyby niemożliwe. Dodatkowo jest to ogromna szansa dla początkujących wynalazców.

Rozwój metod druku 3D, a przede wszystkim rosnąca ilość materiałów, z których można drukować, przekłada się na ciągłe zwiększanie udziału elementów projektowanych z wykorzystaniem Generative Designu oraz Optymalizacji Topologicznej.

Zainteresowanych tematem druku 3D odsyłam do artykułu, w którym przedstawione zostały poszczególne metody oraz materiały stosowane w procesie wytwarzania addytywnego.

Generative Design i Optymalizacja Topologiczna w lotnictwie

Stosowanie lżejszych i bardziej wytrzymałych konstrukcji, nawet jeśli ich koszty wykonania będą stosunkowo wysokie, odgrywa szczególnie dużą rolę w przemyśle lotniczym. Każdy kilogram masy, jaki uda się zaoszczędzić projektantom przy tworzeniu nawet najmniejszej części składowej samolotu, niesie ze sobą znaczne profity. Można to wykorzystać na różne sposoby:

1. Lżejszy samolot potrzebuje do lotu mniej paliwa, ma również poprawione osiągi – prędkość, zasięg – a także zmniejszone obciążenie konstrukcji nośnej,
2. Zaoszczędzone kilogramy mogą zostać zastąpione większą ilością pasażerów i bagażu. Większa ilość pasażerów przekłada się na zwiększone zyski z biletów podczas pojedynczego przelotu samolotu,
3. Odchudzony samolot może zabrać dodatkowe zbiorniki paliwa – w dalszym stopniu powiększa się jego zasięg.

Każdego dnia na świecie startuje i ląduje około 100 000 samolotów. Nawet niewielki zysk na pojedynczym przelocie może przełożyć się na kolosalnym zysku dla operatora linii lotniczej. Gra jest warta świeczki, a świadomi tego producenci samolotów wykorzystują możliwości optymalizacyjne w swoich konstrukcjach.

Bionic Partition – Praktyczne wykorzystanie nowoczesnych technologii w projektowaniu 3d

Świetnym przykładem może być tutaj Airbus – jedna z potęg przemysłu lotniczego, która we współpracy z Autodeskiem oraz APWorks zrealizowała projekt o nazwie „Bionic Partition”. Połączenie nowoczesnych technologii w projektowaniu 3D, innowacyjnych materiałów oraz możliwości drukarek 3D zaowocowało uzyskaniem największego komponentu lotniczego, jaki kiedykolwiek wydrukowano z metalu.

Przegroda oddzielająca strefę z siedzeniami dla pasażerów od strefy dla załogi, która została zaprojektowana z użyciem Generative Designu i wydrukowana ze stopu aluminium o nazwie Scalmalloy®, jest niemal o 50% lżejsza niż tradycyjna konstrukcja, a także cechuje się zwiększoną wytrzymałością. Obecnie, rozwiązanie to jest w fazie badań – po pozytywnym przejściu crash-testów pod obciążeniem nawet 16G, otrzyma certyfikację i możliwe stanie się wprowadzenie tej innowacyjnej części do floty samolotów Airbus A320.

Innym przykładem jest zawias gondoli silnika, również w konstrukcji Airbusa.

Optymalizacja topologiczna i Generative Design w przemyśle samochodowym

Oprócz lotnictwa zarówno Optymalizacja topologiczna, jak i Generative Design znajdują zastosowanie w przemyśle samochodowym, np. w formule 1, gdzie obniżenie masy bolidu przy zachowaniu jego właściwości jest jednym z kluczowych elementów w walce, o jak najlepszy czas przejazdu.

Coraz częściej możemy spotkać części maszyn, projektowane i optymalizowane z użyciem TO i GD w zwykłych pojazdach – zarówno samochodach (np. uchwyt mocujący siedzenia w samochodach grupy General Motors), jak również motocyklach (projekt tylnego wahacza, lżejszy i bardziej wytrzymały, niż tradycyjna konstrukcja, rama motocykla).

Proces optymalizacji części w programie do projektowania Cad

Mając gotowy przedmiot (w tym przypadku model zawiasu silnika lotniczego), możemy z wykorzystaniem programów CAD ulepszyć jego kształt – dokonać optymalizacji. Posłużymy się w tym przypadku programem Fusion 360:

Proces optymalizacji rozpoczyna się od zaimportowania modelu do programu. Po wykonaniu prawidłowego uploadu, przedmiot prezentuje się następująco:

Przejdźmy teraz do wykonywania optymalizacji. Konieczne jest wejście w zakładkę „Simualtion” i wybranie opcji „Shape Optimization”.

Definiowanie materiału, utwierdzeń i obciążeń w programie do projektowania 3D

Kolejnym krokiem jest odpowiednie zdefiniowanie Umocowań – zakładka „CONSTRAINTS”. W tym przypadku jako punkty umocowania zostały wskazane gniazda na śruby.

W dalszej kolejności definiuje się obciążenie zewnętrzne. Rozłożono siły działające na zawias na składowe – założono, że sworzeń będzie oddziaływał na ramiona w kierunku X z siłą 1000N oraz w kierunku y z siłą 250 N. Dodatkowo, założono, że oba ramiona będą ściskane siłą 100 N.

Po zdefiniowaniu obciążeń i umocowań kolejnym krokiem jest określenie, jakie regiony mają być zachowane. W tym przypadku konieczne jest zachowanie średnicy otworów mocujących śruby oraz otworu na sworzeń. Wykorzystuje się do tego funkcję „Preserve region”. Dodatkowo, ze względu na to, że przedmiot jest symetryczny, konieczne jest zdefiniowanie płaszczyzny symetrii.

Definiowanie kryterium optymalizacji topologicznej i generowanie siatki elementów skończonych (MES).

Następnie, konieczne jest zdefiniowanie kryteriów optymalizacji – celów, jakie program ma osiągnąć podczas obliczeń. W tym przypadku zdecydowano się na zmniejszenie masy do maksymalnie 30% pierwotnej masy elementu przy zachowaniu jak największej sztywności. Pod uwagę wzięte zostały również założone wcześniej obszary do zachowania.

Po wybraniu opcji „Generate Mesh”, program stworzy siatkę elementów skończonych zgodnie z ustawieniami siatki.

Po wykonaniu tej operacji model jest gotowy do obliczeń

Wykonanie obliczeń i otrzymanie zoptymalizowanej geometrii w projektowaniu 3d

Użytkownik może teraz wybrać opcję „Solve”. Jeśli podane zostały wszystkie niezbędne do obliczeń informacje, program może przystąpić do przeprowadzenia symulacji. Użytkownik ma do wyboru:

• Wykonać obliczenia lokalnie, przy użyciu własnego sprzętu (w przypadku słabszych komputerów proces ten może być czasochłonny i zasobożerny)
• Wysłać badanie na serwery Autodesku, gdzie zadanie zostanie rozwiązane, a wyniki zostaną przesłane do programu Fusion 360 (zdecydowanie szybsze rozwiązanie, jednak wymagające dostępu do Internetu)

Rezultaty obliczeń przedstawiono poniżej. Jak widać, masa przedmiotu została zredukowana o ponad 70 %.

Ostatecznie tak otrzymany model wydrukowano na naszej drukarce 3D:

Podsumowanie – Optymalizacja Topologiczna i Generative Design

Mam nadzieję, że spodobał się Wam artykuł na temat Optymalizacji Topologicznej i Generative Design, w którym opisałem, w jaki sposób podczas projektowania maszyn można połączyć projektowanie 3D w programach CAD oraz obliczenia MES, aby uzyskać lekką i wytrzymałą konstrukcję, a także jak ją wykonać, mając do dyspozycji drukarkę 3D.

Mam nadzieję, że zaciekawiłem Was tematem i przedstawiłem możliwości nowych technologii, które mogą w przyszłości odegrać kluczową rolę podczas projektowania.

Jeśli zainspirowałem Was do stworzenia innowacyjnych produktów i macie pomysł, jak nadać przedmiotom codziennego użytku zupełnie nową postać – świetnie się składa, ponieważ zajmujemy się zarówno projektowaniem technicznym, tworzeniem prototypów, jak i wykonywaniem wizualizacji.

Jeśli więc potrzebujesz pomocy z Twoim projektem, skontaktuj się z nami, a na pewno jakoś Ci pomożemy. >SZYBKI KONTAKT<