Новости компьютерного инжиниринга. Бионический дизайн. Компьютерная технология топологической оптимизации Altair® OptiStruct® революционно изменяет процесс разработки ячеистых/решетчатых структур для аддитивного производства (3D печати)

Компания Altair Engineering, Inc., разработчик универсальной платформы для решения мультидисциплинарных задач HyperWorks, анонсировала, что отныне уникальная компьютерная технология топологической оптимизации Altair OptiStruct® поддерживает новые возможности, которые расширят использование данной системы в аддитивном производстве (3D печати).

Компьютерная CAO (Computer-Aided Optimization)-технология OptiStruct® является мировым лидером в области топологической и топографической оптимизации, а также в оптимизации размеров и формы (size and shape optimization) элементов конструкций, встроенной в программную платформу компьютерного инжиниринга Altair HyperWorks®.

Уникальное преимущество аддитивных технологий (3D печати) - это возможность изготавливать конструкции / структуры со сложной микроструктурой (геометрией), используя мелкие ячейки. Такие структуры известны как решетчатые / ячеистые структуры (Lattice & Cell Structures).

В настоящий момент разработчики OptiStruct® в рамках развития парадигмы Optimization-Driven Design активно работают над применением технологий топологической оптимизации для эффективного соединения твердотельных решетчатых / ячеистых структур с переменными объемами внутренних полостей.

Программная система OptiStruct® позволяет провести анализ 3-D напряженно-деформированного состояния решетчатых структур - детальный анализ на растяжение-сжатие, сдвиг, изгиб, кручение стержневых элементов решетчатых структур, а также оценить их усталостные характеристики. Новая технология будет широко востребована инженерами-конструкторами, у которых до этого не было подобного инструмента для моделирования и анализа решетчатых / ячеистых конструкций. Теперь же OptiStruct® позволит инженерам проводить анализ данных конструкций с точки зрения оптимального распределения материала.
Топологическая оптимизация достаточно давно используется в ряде отраслей промышленности для оптимального проектирования легких, прочных и надежных конструкций. Данная технология особенно хорошо подходит для 3D-печати, т.к. с помощью топологической оптимизации можно создавать структуры сложной формы, которые невозможно изготовить традиционными методами производства. Соответственно, эффективность проектирования конструкций при последующем традиционном производстве снижается, в силу того, что конструктор или технолог должны учитывать ограничения, возникающие при производстве. Аддитивные технологии (технологии 3D-печати) предлагают уникальные возможности по производству форм сложной и сверхсложной геометрии, а симбиоз адидитивного производства с топологической оптимизацией позволяет реализовать оригинальные решения дизайнеров и конструкторов, соблюдая требования структурной целостности и прочности конструкций.

"Технологии 3D-печати привносят новую степень свободы в проектирование, позволяя создавать конструкции с более сложными формами, топологией, а также максимально адаптировать дизайн продуктов под нужды пользователя, снимая ограничения производства, т.к. конструкции, созданные методами аддитивных технологий, практически не требуют дополнительной обработки," - заявил д-р Уве Шрамм, технический директор компании Altair.

Altair работает совместно с такими технологическими партнерами, как Materialise, что позволяет создать максимально эффективный импорт данных непосредственно для 3D-печати. Например, решетчатые / ячеистые структуры могут содержать сотни или тысячи ячеек, поэтому традиционный экспорт STL-файла с моделью может стать серьезным препятствием в технологическом процессе. Такие программные системы, как 3-MaticSTL от компании Materialise, члена Партнерского Альянса Altair HyperWorks, позволяют минимизировать дефекты при передаче разработанной модели, соблюдая требования, предъявляемые к производству методом аддитивных технологий и создавая специальные опорные структуры там, где необходимо.
По сравнению с конкурирующими технологиями, которые просто накладывают решетчатые структуры на существующую геометрию, программная система OptiStruct® позволяет дизайнеру определить наилучшее распределение материала и наиболее подходящие зоны для включения решетчатых / ячеистых структур. Методы оптимизации позволяют понять, где в конструкции нужен материал, а где он не требуется, либо где однородный материал можно заменить на решетчатые / ячеистые структуры.

OptiStruct® проводит оптимизацию данных структур в два этапа. На первом этапе применяется стандартная топологическая оптимизация, позволяющая задать определенное количество пористого материала с усредненной плотностью. Затем, зоны пористых структур преобразуются в явные решетчатые / ячеистые структуры с различным объёмом материала и пустот. На втором этапе оптимизируются размеры ячеек. В результате создается структура с твердотельными зонами в сочетании с зонами решетчатых структур, в которых варьируется объём материала.
Моделирование пористости, которое доступно в новой версии OptiStruct®, особенно важно как функциональное требование, предъявляемое к биомедицинским имплантам. Создание зон с решетчатыми структурами также крайне актуально для проектирования конструкций, для которых критически важна не только жесткость, но и минимальная масса.

Проектирование некоторых конструкций также требует оценки потери устойчивости ("buckling"), решения задач теплопроводности, оценки динамических характеристик объекта, анализ других свойств и характеристик изделия, которые также могут быть оптимизированы.

С помощью программной системы Altair® OptiStruct® пользователи могут варьировать плотность материала, основываясь на результатах процесса оптимизации, сравнивая более прочные варианты конструкций с менее прочными, а также проводя сравнение твердотельных, полых и пористых структур. Конструктор сначала определяет цели, а затем проводит оптимизацию, чтобы получить дизайн конструкции, полностью удовлетворяющий поставленным целям.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® на основе материалов разработчика программной системы OptiStruct® - фирмы Altair.